Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 42 Влияние напряжения статитческой ошибки

42 Влияние напряжения статической погрешности на работу УПТ и усилителей переменного сигнала

Как уже было отмечено, на работу схем, организованных на основе ОУ, могут оказывать влияние паразитные факторы, вызывающие появление постоянного напряжения U_ош вых на выходе даже в условиях отсутствия какого-либо сигнала на входе ОУ. Воздействие этих паразитных факторов удобно представлять с помощью эквивалентного генератора постоянного напряжения U_ош вх, воздействующего на неинвертирующей вход ОУ. В условиях линейного режима работы схемы на ОУ значение напряжения U_ош вых определяется соотношением

U_ош вых = U_ош вх К_ош, (1)

где К_ош – коэффициент усиления постоянного напряжения, воздействующего на неинвертирующий вход ОУ.

Вычисленное в соответствии с (1) напряжение U_ош вых не должно превосходить предельно допустимого для ОУ значения U_{вых max}, в противном случае ОУ теряет усилительные свойства, а работа схемы сопровождается нелинейными искажениями. Обычно схему на ОУ стремятся выполнить таким образом, чтобы напряжение U_ош вых было меньше некоторого допустимого значение U_ош доп, вытекающего из особенностей применения схемы на ОУ или же оговоренного в технических условиях. Указанные обстоятельства накладывают ограничения сверху на возможные значения коэффициента усиления К_ош, а именно

К_ош  U_ош доп / U_ош вх. (2)

где U_ош вх – напряжение статической погрешности. По указанным причинам недопустима работа схемы УПТ на ОУ при коэффициенте усиления большем, чем вытекающий из соотношения (2).

Пример 1 Какое предельное значение номинального коэффициента усиления К₀ можно получить в схеме инвертирующего усилителя, если она организована на ОУ с U_ош вх = 5 мВ, а напряжение U_ош доп = 0,1 В?

Решение:

1. В соответствии с (2) необходимо, чтобы

К_ош  U_ош доп / U_ош вх = 0,1 / 5 10^-3 = 20.

2. Напряжение U_ош вх передается на выход в соответствии с передаточными свойствами неинвертирующей схемой включения, а сигнала – с инвертирующей, коэффициент передачи которой меньше первой на единицу. С учетом этого получаем

К₀ = К_ош –1 = 20 – 1 = 19.

Существенно большие значения коэффициентов усиления сигнальных напряжений К₀, без превышения напряжения U_ош доп, могут обеспечить схемы усиления переменных сигналов. В этих схемах допускается применение разделительных и блокирующих конденсаторов, вследствие чего в них можно создать большую глубину ООС на постоянном токе при относительно небольшом значении для переменного сигнала и тем самым существенно снизить передачу на выход напряжения ошибки при высоком значении коэффициента усиления сигнала. В результате в усилителях переменного сигнала обычно выполняется соотношение К_ош << К₀, где К_{0 –} коэффициент усиления переменного сигнала.

Рисунок 1. Инвертирующий усилитель переменного сигнала

Рисунок 2. Неинвертирующий усилитель переменного сигнала

Рисунок 3. Усилитель переменного сигнала с 3-полюсником в цепи ОС

Для переменного сигнала схема на рисунке 1 эквивалентна инвертирующему масштабному усилителю, схема на рисунке 2, – неинвертирующему, а схема на рисунке 3 – усилителю с трехполюсным элементом в цепи обратной связи. Эквивалентность выполняется во всем частотном диапазоне, за исключением области низких частот. В этой области возможны частотные искажения вследствие того, что на пониженных частотах сопротивление конденсатора С_р не имеет пренебрежимо малого значения.

Пример 2. Какое предельное значение номинального коэффициента усиления К₀ можно получить в схеме инвертирующего усилителя, если преобразовать ее в схему на рисунке 1?

Решение.

1. Включение в схему конденсатора C_р снижает коэффициент К_ош до единицы, так как в этом случае двухполюсник Z₁ = R₁ + 1/ jС_р, включающий конденсатор С_р, на постоянном токе представляет разомкнутую цепь. В результате этого Z₁  =  и

К_ош = 1 + R₁ / Z₁ = 1; U_ош вых = U_ош вх = 5 мВ.

2. Для переменного тока Z₁=R₁, в результате чего не наблюдается ограничений со стороны напряжения U_ош вх на коэффициент усиления переменного сигнала.

Уровень низкочастотных (f) или переходных Δ искажений, может быть оценен по приводимым ранее соотношениям с подстановкой в них постоянных времени τ_р соответствующих разделительных цепей. При рассмотрении этих искажений в схеме на рисунке 1 возможно применение двух подходов, один из которых связан с усилением сигнала u_вх, а другой – сигнала E_с. Уровень частотных искажений при первом преобразовании определяет постоянная времени τ_р1 = С_р R₁, а второго – τ_р2 = С_р (R_с + R₁). В схеме на рисунке 2 уровень низкочастотных и переходных искажений определяет одна постоянная времени τ_р1, а в схеме на рисунке 3 – две. В роли одной из них выступает постоянная времени τ_р1 или τ_р2, а в роли второй – постоянная времени τ_р3  С_р2 R₃.

При вычислении коэффициентов передачи К_ош для различных, в том числе и приведенных схем, необходимо учитывать следующее:

- напряжение U_ош вх является постоянным, поэтому при анализе его влияния на работу схемы все ее ветви, содержащие разделительные конденсаторы, могут рассматриваться как цепи с бесконечно большим сопротивлением и из рассмотрения исключаться;

- считается, что напряжение U_ош вх приложено к неинвертирующему входу ОУ. Поэтому коэффициент передачи К_ош для всех схемных построений на ОУ следует рассматривать как коэффициент передачи относительно неинвертирующего входа даже в случаях, когда передача сигнального напряжения осуществляется по схеме инвертирующего включения.

Из сказанного следует, что для всех приведенных схем, коэффициент передачи К_ош равен единице, т. е. независимо от значения коэффициента усиления К₀ сигнального напряжения U_ош вых = U_ош вх. В схеме усилителя постоянного тока практически всегда коэффициент усиления К₀ сигнала не ниже коэффициента передачи К_ош.

В схемах на рисунках 1 и 3 неинвертирующие входы ОУ подсоединены к точке нулевого потенциала через резисторы R₊. Значение сопротивления этого резистора выбрано из условия R₊ = R_–, выполнение которогоспособствует снижению величины U_ош вх и, соответственно, напряжения U_ош вых.