В. Технологии производства оу и отличия реальных схем от идеальных.

Выше были перечислены основные требования к идеальному ОУ. Коротко повто- рим их: бесконечно большой коэффициент усиленияпри разомкнутой обратной связи, ну- левой входной ток, отсутствие смещения нуля и его температурного дрейфа, нулевое вы- ходное сопротивление и мгновенный отклик на изменение входного напряжения.

Прежде всего, отметим, что не все идеальное хорошо на практике, точнее, все иде- альное хорошо в меру. При нулевом выходном сопротивлении достаточно на мгновение закоротить нагрузку и ОУ выйдет из строя. Мгновенный отклик на изменение входного напряжения на практике доставляет немало хлопот из-за возбуждения схем на высоких частотах. Пожалуй, наиболее существенными качествами, на достижение которых затра- чено много усилий и которые во многом определили прогресс схемотехническихрешений и технологий производства ОУ являются минимальный входной ток и отсутствие смещения и температурного дрейфа нуля. Из чисто практических требований добавим сюда не критичность и наибольшее использование напряжения питания и мини- мальное внутреннее потребление. Хотелось бы, чтобы ОУ работал в широком диапазоне питающих напряжений и был способен работать как при двух, так и униполярном питаю- щем напряжении. Чтобы входные и выходной сигналы охватывали весь диапазон питаю- щего напряжения.

Минимизация входных токов. Первые ОУ были сделаны на биполярных транзи- сторах. Эти транзисторы обладаютзаметным током базы. Всеусилияразработчиков были направлены на его уменьшение. Появились ОУ с входными каскадами на полевых транзи- сторах. Сначала это были полевые транзисторы с затвором на p-n переходах. С развитием МОП технологий появились ОУ, полностью выполненные на полевых транзисторах. Входные токи стали наноамперными. На одном кристалле стали размещать до четырех и более каскадов ОУ, это же относится и к биполярным технологиям. МОП ОУ, как прави- ло, не критичны к питанию, полностью используют его размах по входу и выходу (т.н. rail-to-rail усилители, т.е. усилители, выходной сигнал которых не дотягивает до напряже- ний питания в пределах ста милливольт и меньше).

Минимизация смещения и температурного дрейфа. МОП транзисторы, к сожа- лению, технологически воспроизводятся хуже биполярных и усилители по МОПтехноло- гии, при всех их плюсах, вытеснить биполярные не смогли. Супербетта-транзисторы по- могли биполярным ОУ сделать входные токи менее микроампера, подтянули их к rail-to-

rail. В ответ появились МОП усилители с автоматической ком- пенсацией смещения нуля и температурного дрейфа. На рис. 2.25

U=0

Рис. 2.25.

Uсм

показана схема измерения напряжения смещения ОУ. Он перево- дится в режим повторителя с единичным усилением, на прямой вход подается нулевое напряжение. Тогда на выходе появляется напряжение смещения нуля.

Идея автоматической компенсации в том, что вход усили- теля на некоторое время обнуляется, коэффициент усиления де-

лается единичным и к выходу подсоединяется и заряжается до напряжения смещения эта- лонный конденсатор. Затем он в соответствующей полярности подключается ко входу и

76

состояние ОУ восстанавливается. Дрейф и смещение оказываются скомпенсированными. Такая операция регулярно проводится автоматически. Хорошо, но не всегда допустимо. И, с точки зрения стабильности смещения и температурного дрейфа биполярные ОУ пока лучше, к тому же у них нет такого врага, как статическое электричество. Биполярные ОУ допускают более вольное обращение при монтаже и пайке на плату.

Внутреннее потребление ОУ во многом определяется требуемыми частотными свойствами. Для его минимизации в обоих технологиях появились так называемые про- граммируемые ОУ, ток питания которых можно определить и ограничить внешними це- пями исходя из требуемых свойств.

На рис. 2.26 показана схема инструментального усилителя. Мы упоминали о ней при рассмотрении дифференциального усилителя. Теперь рассмотрим схему подробнее.

Прежде всего, отметим, что все преимущества

U+

DA1

R2 R1 _R2

21. DA2

R3

R3

Рис. 2.26.

R4

DA3 R4

Uвых

схемы в полной мере могут быть реализованы, если хотя бы два первых ОУ выполнены на од- ном кристалле. Схема настолько удачна, что выпускается сейчас многими производителями в интегральном исполнении, в этом случае она действительно проявляет свои наилучшие свой- ства, поскольку параметры всех компонентов согласованы должным образом. Входные сигна- лы U₊ иU_- усиливаютсяв первом каскаде усили- теля. При этом, естественно, усиливается на- пряжение смещения и температурный дрейф. Два резистора R2 должны быть идентичны. Для

выходных напряжений первых каскадов U_В+ и U_В- , приложенных к резисторам R3 имеем:

^U Â

^U Â

(1 2 ^R2)i(U

R1

_U_).

Сигналы смещения и температурного дрейфа обоих усилителей вычитаются, по- этому, если они идентичны, компенсируют друг друга. Идентичности каналов ОУ можно добиться, выполняя их на одном кристалле. Далее сигналы U_В+ и U_В- поступают на входы рассмотренного нами ранее дифференциального усилителя, так что выходной сигнал схе- мы будет равен:

U (1 2 ^R2 )i ^R4i(U

U ).

ВЫХ

R1 R3 ^{ }

При этом также должны быть согласованы R3 и R4.

В современных интегральных инструментальных усилителях пользователю пре- доставлена возможность изменять сопротивлениерезистора R1, присоединяя параллельно ему внешний резистор и увеличивая коэффициент усиления до необходимой величины. Такие схемы недороги, и, если требуется усиливать разностный сигнал, практически пол- ностью вытеснили усилители на отдельных каскадах ОУ.

В заключение хотелось бы отметить, что в настоящее время разработаны и постав- ляются специализированные и блоки аналоговой обработки информации различных дат- чиков. Они выдают стандартные выходные сигналы, метрологически проверены и, часто, аттестованы в Российской Федерации и за рубежом. По возможности используйте такие приборы и не занимайтесь необоснованной самодеятельностью.

На этоммы заканчиваем изучение средстваналоговойобработкиинформации. Для тех, кто желает пополнить приведенные здесь сведения и расширить свои знания в облас- ти схемотехники рекомендую посмотреть приведенные в приложении П1 материалы. В разделе «Операционные усилители», скачанном мною из internet содержится изложение схемотехники внутреннего построения операционных усилителей. Опытный пользователь должен знать внутреннее устройство. В статье «Описание схемы МТ11-4Ч» приведено

описание и расчет схемы аналоговой обработки сигнала датчика абсолютного давления. Из изданной литературы настоятельно рекомендую [2, 3, 4].

Вопросы к экзамену.

1. Операционный усилитель: идеальные и реальные параметры. Технологии произ- водства и параметры ОУ.

2. Операционный усилитель: правила расчета на примере инвертирующего усилите- ля и неинвертирующего усилителя.

3. Операционный усилитель: дифференциаторы и интеграторы.

4. Операционный усилитель: компараторы.

5. Инструментальный усилитель. Вывод формулы коэффициента усиления.

6. Технологии производства ОУ и отличия реальных схем от идеальных.