Глава 4.Операционные усилители в цепях измерительного преобразования на постоянном и переменном токе

Введение операционных усилителей в ЦИП, включающих элементы входных преобразователей НЭВ, сопровождается внесением в измерительный сигнал погрешностей, вызванных дрейфом, шумами и нестабильностью ОУ и параметров элементов, обеспечивающих их включение в ЦИП.

Погрешности от дрейфа входных токов и ЭДС смещения ОУ в инвертирующем включении (см. рис. 4.1,а) можно определить в виде

U_вых = -U_вх(R₂/R₁)+e_CМ (4.1)

где U_вх – входное напряжение; e_CM – ЭДС смещения; i_-, i₊ – токи неинвертирующего и инвертирующего входов эквивалентных генераторов.

Рис.4.1. Схема включения (а) и частотная характеристика (б) ОУ

с определяющими источниками погрешностей

Влияние входного сопротивления и коэффициента усиления К_оу ОУ (рис 4.1,а) определяется выражением

U_вых=–U_вх (4.2)

где К_д, r_ВХ – коэффициент передачи и входное сопротивление ОУ.

Наличие в ОУ напряжения и входных токов  приводит к возникновению аддитивной погрешности  в виде смещения напряжения на выходе усилителя.

При U_ВХ = 0; R₃ = R₁R₂/(R₁+R₂); i = i₊+i_- то

U_вых= (4.3)

Значение разностного входного тока ОУ с входным каскадом на биполярных транзисторах составляет 0,3 – 0,7 мкА, ЭДС смещения равна e_CM = 0,510 mВ. Температурный дрейф составляет 5 ­– 20 мкВ/к, а входные токи примерно вдвое увеличиваются при понижении температуры от + 20 С до – 50 С и вдвое уменьшаются при увеличении температуры от + 20 С до + 120 С.

Применение ОУ для усиления малых сигналов или в качестве параметрической ЦИП с зависимыми от измеряемых НЭВ резисторами R₁ и R_2, в случае конечности значений и входного сопротивления, может привести к возникновению мультипликативной погрешности.

При работе ОУ на переменном токе большое значение на качество воспроизведения математических функций с помощью ОУ оказывает частота питающего напряжения U_пит .

Кроме того, при работе ЦИП с ОУ на переменном токе коэффициент К_f приобретает комплексный характер. При этом модуль коэффициента усиления существенно меняется в зависимости от частоты. На рис.4.1,б представлена амплитудно-частотная характеристика ОУ. Частота среза f₁ наиболее распространенных ОУ составляет f₁ = 1 МГц. Лучшие отечественные ОУ, например, 544УД2 имеют частоту среза около f₁= 15 МГц. Коэффициент усиления ОУ на постоянном токе K₀ = 10³ – 10⁸. Поскольку постоянная времени ОУ, представленного звеном первого порядка K(p) = – , определяемая выражением ₀= . При этом модуль коэффициента передачи может быть приближенно описан выражением

K_f=f₁/f₂ (4.3)

где f₁- частота среза; f₂ - частота источника сигнала.

При работе ОУ в ЦИП емкостного входного преобразователя, имеющего малые значения емкостей в пределах 1...100 пФ, частоту источника сигнала выбирают в пределах 1 - 100 кГц. На этой частоте при f₁= 1 мГц ОУ имеют коэффициент передачи K=10² – 10³. Возникающая при этом погрешность, связанная с не идеальностью ОУ, имеет ощутимую величину и может быть определена как разность выходного сигнала идеального усилителя на ОУ и усилителя, работающего на данной частоте, отнесенная к выходному сигналу идеального ОУ (при K_f ).

(4.4)

где Z₂ и Z₁ - комплексные сопротивления прямой цепи и цепи обратной связи усилителя.

При Z₂=Z погрешность = 0,2 - 2,0%.

Коэффициент передачи К и входное сопротивление ОУ подвержены изменениям под действием температуры. Коэффициент усиления возрастает на 10 - 30% при уменьшении температуры от +20С до –50 С и примерно на столько же падает при увеличении температуры от + 20 С до + 120 С.

При работе на переменном токе ОУ являются источниками шумовых токов и ЭДС, величина которых зависит от типа применяемого ОУ, его согласования с входным преобразователем НЭВ (источником сигнала) и полосы пропускания всей схемы преобразования информативного сигнала. Появление интегральной элементной базы привело к развитию ЦИП, обеспечивающих уравновешивающий метод преобразования (цепи с обратной связью). Как и все системы, ЦИП с отрицательной обратной связью построены таким образом, чтобы в цепи обратной связи стояли более стабильные элементы, чем в цепи прямого преобразования.

Погрешность ЦИП компенсационного типа в (1 + Q_прQ_ос) ниже погрешности ЦИП без отрицательной обратной связи ( Q_пр, Q_ос – коэффициенты передачи цепей прямого и обратного преобразования).

В современных ЦИП операционный усилитель часто используется, как элемент сравнения (компарирования).