Жулев_3_4_9_15_16_20

Очевидно, что kОСС зависит как от коэффициента kдиф, так и от коэффициента kсин, которые могут устанавливаться в усилителе независимо.

Полное подавление синфазной помехи осуществляется при бесконечном значении kОСС, что достигается при А1 = А2 , т.е. при полной

идентичности каналов ОУ, что практически невозможно. С хорошей точностью это выполняется для дифференциального каскада, что является результатом высокого внутреннего сопротивления источника тока, питающего эмиттерные цепи дифференциальной пары. На практике используется балансировка ОУ (рис. 3.11).

Uп

Рис. 3.11

Коэффициент передачи дифференциального сигнала kдиф при замкнутой петле обратной связи – это коэффициент усиления усилителя:

kдиф = KU .

Коэффициент ослабления синфазного сигнала, обусловленный внутренней структурой самой микросхемы, называется внутренним kОСС вн :

-для отечественных ОУ: kОСС вн = 70÷90 дБ, что в относительных единицах составляет (3÷30)◌ּ103, редко 100 дБ;

-для зарубежных: kОСС вн = 80÷120 дБ, что составляет 20◌ּ103÷106 относительных единиц.

Для повышения kОСС используют различные схемотехнические

приемы. Рассмотрим некоторые из них.

Схемотехнические приемы повышения КОСС

1. Рассмотрим схему усилителя с дифференциальным включением, приведенную на рис. 3.12.

Рис. 3.12

Используем искусственное разделение источника входного сигнала на две аналогичные составляющие, имеющие собственное внутреннее сопротивление Ri.

Выделяют две составляющих коэффициента передачи синфазного сигнала:

1) kсин/ - обусловлено рассогласованием резисторов:

Рассогласование определяется точностью изготовлений (неодинаковостью) сопротивлений и влиянием внутреннего сопротивления источников сигнала Ri1 и Ri2 :

2) kсин// - определяется конечным значением kОСС вн :

неинвертирующему входам, что приводит к дополнительным погрешностям коэффициента усиления и подавления синфазного напряжения.

K Uвых

В данной схеме KU = kдиф при замкнутой цепи обратной связи:

КU = kдиф = RОС . Rвх

Пример 1. Пусть eдиф =1 мВ, eсин =1 В, δñèí = 0,01 (1%), Uвых = 2

В,

Тогда kдиф = KU = Rос = Uвых = 2000 ; Rвх eдиф

а требуемый коэффициент ослабления синфазного сигнала:

Внутренний коэффициент ослабления синфазного сигнала типового ОУ kОСС вн = 20000 (86 дБ), что составляет только 20 % от требуемого.

Следовательно, данная задача с помощью одного ОУ не решается. Задачу с такими условиями можно решить, если kОСС вн 120 дБ.

2. Стандартная схема двухкаскадного ИУ на базе 3-х ОУ (рис. 3.13).

Рис. 3.13

Первый каскад (ОУ1 и ОУ2) усиливает дифференциальный сигнал с

kдиф1 = R1 + R2 + R3 . R1

Коэффициент усиления синфазного сигнала первого каскада kсин1 =1 (во входных цепях нет вообще резисторов, а высокоомные неинвертирующие входы ОУ1 и ОУ2 ослабляют влияние разброса Ri источников сигналов.

Второй каскад (ОУ3) в дифференциальном включении имеет

kдиф2 = R5 .

R4

Общий коэффициент усиления дифференциального сигнала:

kдиф = R1 + R2 + R3 R5 . R1 R4

Составляющие коэффициента усиления синфазного сигнала второго каскада:

В рассматриваемой схеме используются высокие входные сопротивления не инвертирующих входов ОУ1 и ОУ2, благодаря чему сопротивления источников сигнала могут различаться (до 1 кОм) без снижения КОСС. В этой схеме kОСС =1 для каждого из входных усилителей,

а kсин выходного ОУ зависит от точности подбора резисторов. Общий КООС всей схемы:

перераспределения kдиф между каскадами может быть обеспечен более

высокий КОСС.

Пример 2. Примем те же условия, что и для схемы 1:

дБ).

Коэффициент усиления дифференциального сигнала:

Распределим этот коэффициент следующим образом:

kдиф1 = 2000, kдиф2 =1,

что соответствует наибольшему подавлению синфазной помехи. Коэффициент усиления синфазного сигнала первого каскада kсин1=1. Тогда идеализированный КОСС первого каскада:

kОСС 1 ид = kдиф1 = 2000 = 2 103 . kсин1 1

С учетом конечности внутреннего КОСС операционного усилителя действительный КОСС первого каскада:

превышает требуемое, kдиф1 можно несколько уменьшить.

3. Схема с прецизионной дифференциальной парой на входе (рис. 3.14).

Для большего увеличения kОСС используют прецизионные

дифференциальные пары. Данная схема представляет собой модификацию схемы на рис. 3.13 с усилителем остаточного разбаланса за счет введения обратной связи от выхода к источникам тока, питающим входной каскад.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала для данной схемы составляет 106 (120 дБ), причем без жестких требований к допускам резисторов и без чрезмерного увеличения kдиф . Такого результата можно

добиться только при интегральной технологии изготовления с прецизионной настройкой. Вся схема выполнена на одном кристалле.

Дополнительными достоинствами данной схемы является большое входное сопротивление (Rвх=1013 Ом), а так же малые входные токи. Однако схема на полевых транзисторах имеет большие входные напряжения смещения, дрейф напряжения смещения и большие эквивалентные входные напряжения шумов.

+Uп1

Uвых

ОУ

– VT1

VT2

+

Rос Rвх Rос

-Uп2

Рис. 3.14

При использовании данной схемы на практике, важно учитывать внутреннее сопротивление источника входного сигнала: если Ri ≤ 10 кОм, то в дифференциальном каскаде используются биполярные транзисторы; если Ri > 10 кОм, то используются полевые транзисторы.

4. Схема с гальванической изоляцией входа от выхода (рис. 3.15). Часто возникает задача защиты измерительных цепей, в особенности в

медицинской практике, от воздействия высоких напряжений. Для этих целей применяются усилители с гальванической изоляцией входа от выхода. Особенностью таких схем является очень малые токи утечки и отсутствие контура заземления.

Для схемы справедливо неравенство едиф << есин << еиз ≤ 5 кВ. Изолируемое напряжение eиз может попадать на выход через

изолирующий барьер Rиз , Cиз , или через общие для входа и выхода цепи (в данном случае общих цепей нет).

eиз ~

Рис. 3.15

Приведенная к входу погрешность, обусловленная наличием eиз ,

выражается через коэффициент ослабления изолируемого напряжения kОИН который является показателем уменьшения этого напряжения:

Ф.

Втаких усилителях применяются два вида развязки:

1)взаимоиндуктивная или трансформаторная (при полосе частот сигнала до 1 кГц);

2)оптоэлектронная (при полосе частот сигнала до 10 кГц).

Входная и выходная части питаются от раздельных источников питания, не связанных между собой.

Все это позволяет получить kоин =109 (180 дБ).