ЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

после преобразования выражение (7.1) принимает вид R2R3= R1R4, усилитель становится дифференциальным и усиливает разность напряжений, приложенных к входам:

Uвых R2 Uвх1 Uвх2 .

R1

При этом на его входах будет синфазный сигнал, равный

61

ЛЕКЦИЯ 8. МАСШТАБНЫЕ УСИЛИТЕЛИ. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ

В электрометрических усилителях на входе устанавливают операционный усилитель с высокими входными сопротивлениями или вводят дополнительные входные дифференциальные каскады на полевых транзисторах. Для уменьшения токов утечек вывод входа такого усилителя окружается «охранным» кольцом. На него от источника с малым выходным сопротивлением подается тот же потенциал, что и на вход усилителя (рисунок 8.1).

Рисунок 8.1 – Схема уменьшения токов утечки во входной цепи

Образуется эквипотенциальная зона, в пределах которой ток не протекает даже при низкокачественной изоляции. К этому же источнику подключают оплетку кабеля, подводящего входной сигнал. При этом также уменьшается влияние собственной емкости кабеля, что важно при больших расстояниях до источника сигнала и имеет самостоятельное значение для усилителей других типов.

Рассмотрим некоторые из структур, применяемых на практике. Местные и общие обратные связи позволяют реализовать широ-

кополосные усилители, у которых погрешности коэффициента усиления не превышают долей процента. При необходимости получить более высокие точности приходится применять структурные методы уменьшения погрешностей.

Периодическая компенсация дрейфа нуля используется в усили-

телях медленно изменяющихся сигналов (УПТ), там, где допустима «потеря» сигнала в течение промежутка времени, необходимого для компенсации. Необходимость в ее использовании обусловлена тем, что при любых схемных решениях не удается полностью устранить ни

62

временной, ни температурный дрейфы выходного сигнала. К тому же вследствие наличия гальванических связей весь спектр низкочастотных шумов входных транзисторов равномерно усиливается и беспрепятственно проходит на выход. Эти шумы, имеющие характер инфранизкочастотных случайных колебаний выходного сигнала, иногда оказываются более опасными, чем температурный дрейф.

Для уменьшения дрейфа, смещения нуля и инфранизкочастотных шумов усилителей с непосредственными связями применяют периодическую коррекцию. Сущность ее поясним на примере усилителя, показанного на рисунке 8.2.

Рисунок 8.2 – Схема периодической компенсации дрейфа

исмещения нуля

Вусилитель дополнительно введены два ключа S1 и S2 и конден-

сатор C, «запоминающий» значение напряжения смещения нуля Uсм. Усилитель поочередно работает в одном из двух режимов: в рабочем и

врежиме запоминания компенсирующего напряжения.

Врежиме запоминания ключи находятся в положении 2. При этом Uсм=Uвх1 и напряжение на конденсаторе C

Uсм Uвх2 K Uвх2 .

Отсюда

Uвх 2 Uсм K .

1 K

Таким образом, в режиме запоминания на конденсаторе C устанавливается напряжение Uвх2 которое при достаточно высоком значении K стремится к напряжению смещения нуля.

В рабочем режиме ключи устанавливают в положение 1, и разность напряжений, действующая между входами усилителя, становится равной

63

Выходное напряжение

Из полученного выражения видно, что в результате периодической коррекции смещение нуля уменьшается в (1+K) раз. Для получения хороших результатов постоянную времени разрядки конденсатора C приходится выбирать большой, так чтобы во время рабочего режима компенсирующее напряжение существенно не изменилось. При этом входной ток усилителя, разряжающий конденсатор C, должен быть малым.

Эти ограничения исчезают при использовании вместо конденсатора C микросхем выборки-хранения. Их применение позволяет увеличить частоту коммутации ключей и уменьшить время, затрачиваемое на запоминание. Это приводит к существенному расширению в область высоких частот полосы пропускания усилителя.

Коррекция, осуществляемая с учетом отклонения оператора преобразования (коэффициента усиления) от номинального значения, основана на том, что с помощью высокостабильных и точных пассивных компонентов можно создать так называемые обратные преобразова-

тели (ОП).

Функция передачи

Wоб ( j) W (1j) ,

где W(jω) – требуемая функция преобразования корректируемого устройства.

Если такой прецизионный обратный преобразователь подключить к выходу усилителя и сравнить его выходной сигнал с напряжением (током) на входе усилителя, то выделится разностный сигнал ошибки преобразования. Вводя его непосредственно во входную цепь усилителя или после усиления приблизительно в W(jω) раз в выходную цепь, можно существенно уменьшить погрешность устройства.

Выделим две основные группы структур, с помощью которых осуществляется коррекция. В первой вводится дополнительная обратная связь по сигналу погрешности преобразования. Во второй выделяется сигнал погрешности, который суммируется с основным усилением сигнала так, что усилитель не охватывается дополнительной обратной связью.

64

Идея работы структур первого типа поясняется рисунком 8.3a.

а– с уменьшенной погрешностью; б – принципиальная схема УПТ;

в– схема замены высокоомного резистора R4; г – увеличение коэффициента усиления корректирующего усилителя за счет увеличения числа каналов

Рисунок 8.3 – Структурная схема усилителя

65

ности, то результирующий сигнал равен нулю. Соответственно равно нулю напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя DA1, и какое-либо влияние цепи коррекции отсутствует. Если коэффициент усиления операционного усилителя DA1 отличается от требуемого значения или появляется дрейф нуля, приведенное равенство нарушается. На выходе операционного усилителя DA2 появляется сигнал, уменьшающий погрешность коэффициента усиления в соответствии с представленной формулой (8.1). Так как в данном усилителе преследуется цель свести к малым значениям погрешность усиления постоянных напряжений, то использован бездрейфовый операционный усилитель DA2, например типа МДМ, а в цепь его обратной связи включен конденсатор С. Этот конденсатор предотвращает самовозбуждение усилителей при большом значении коэффициента усиления K2. Но в то же время он резко снижает полосу частот, в которой осуществляется коррекция. При наличии у операционных усилителей DA1 и DA2 напряжений смещения нуля выходное напряжение, полученное аналогично рассмотренному, равно

Из полученных выражений видно, что подобная коррекция эффективна только тогда, когда Uсм2→0. Смещение нуля, вызванное смещением напряжения Uсм1, уменьшается в (1+K2) раз. Это позволяет при бездрейфовом операционном усилителе DA2 получать большие усиления у операционного усилителя DA1, не заботясь о стабильности его нулевого сигнала. При этом вместо резистора R4, который при большом сопротивлении резистора R3 получается неоправданно высоким, следует устанавливать цепочку (рисунок 8.3в), состоящую из резисторов сравнительно небольших номиналов. Их значения выбираются таким образом, чтобы выполнялось равенство

полученное из условия сохранения неизменного значения входного тока операционного усилителя DA2.

В широкополосных усилителях, где усилитель 2 (см. рисунок 8.3а) должен иметь большую полосу пропускания, приходится использовать несколько каналов коррекции (рисунок 8.3г). Каждый из

67

них компенсирует погрешности выходного сигнала. Поэтому все обратные преобразователи Z2 берутся одинаковыми и высокоточными.

Усилитель каждого из каналов усиливает оставшуюся часть сигнала ошибки. Самое малое его значение приходится на долю n-го усилителя. Результирующий коэффициент усиления К2 в первом приближении равен

K2 K2 K3 ..... Kn .

Такие многоканальные структуры позволяют использовать усилители коррекции с небольшими коэффициентами усиления и с хорошими частотными характеристиками. При этом обеспечиваются неплохие точностные показатели, приближающиеся к точностным показателям пассивных компонентов Z1 и Z2, и облегчается обеспечение устойчивости при больших коэффициентах усиления.

Пример практической реализации такой структурной схемы приведен на рисунке 8.4б. В ней роль обратного преобразователя выпол-

читающего устройства 3. Коэффициент его усиления определяется ре-

ционном усилителе DA3.

Для рассматриваемого случая R6=R7=R8.

Рисунок 8.4 – Структурная схема коррекции погрешности коэффициента усиления (а) и принципиальная схема усилителя (б)

68

Идея работы структур второго типа поясняется рисунком 8.4а. В них, так же как и у структур первого типа, имеется прецизионный обратный преобразователь ОП и вычитающее устройство 3. Совершенно аналогично осуществляется выделение сигнала погрешности преобразования.

Отличие заключается в том, что выделенный сигнал добавляется к входному (пунктир) или выходному сигналу так, что он не меняет характеристики преобразования усилителя 1. В этом случае дополнительная обратная связь не вводится и не возникает вопросов с обеспечением устойчивости. Однако к стабильности и значениям параметров усилителей 2 и 4 предъявляются повышенные требования.

Сущность такой коррекции покажем на примере, когда дополнительный сигнал вводится в выходную цепь, т.е. имеется усилитель 2, а усилитель 4 отсутствует. Пусть требуется получить усилитель с коэффициентом усиления K. Усилитель 1 имеет коэффициент усиления K1=K+ΔK1. Параметры усилителя 2 близки к параметрам усилителя 1: K2=K+ΔK2. Выходное напряжение

Преобразовав выражение для напряжения Uвых с учетом значений K1 и K2, получим

Из полученного выражения видно, что погрешность усилителя

определяется слагаемым K1 K2 . Она тем меньше, чем больше зна-

K

чение K и меньше отклонения от него K1 и K2. Пример практической реализации такой структурной схемы приведен на рисунке 8.4б. В ней роль обратного преобразователя играет резистор R3, который выбира-

ют исходя из условия 1 K . Операционный усилитель выполняет

R4 R3

роль усилителя 2 и вычитающего устройства 3. Коэффициент его уси-

ления определяется резисторами R4 и R5 и K2 R5 R2 . Сумматор

R4 R1

выполнен на операционном усилителе DА3. Для рассматриваемого случая R6=R7=R8. С целью увеличения эффективности вводят дополни-

69

тельные каналы, аналогичные рассмотренному. При этом следующий обратный преобразователь подключается к выходу показанного усилителя, а за ним включается следующий сумматор. При нескольких каналах и высококачественных сумматорах может быть получена ничтожно малая погрешность.

В случае введения сигнала UK во входную цепь усилитель 4 должен иметь единичный коэффициент усиления. При этом также справедливо последнее полученное уравнение, но результирующая погрешность оказывается значительно больше из-за погрешностей сумматора. Абсолютная устойчивость данных структур является их важным преимуществом.

Таким образом, построение высокоточных усилителей представляет собой серьезную техническую проблему, при решении которой используются различные схемотехнические приемы и структурные способы улучшения параметров и характеристик.

70