Применение электронных устройств в системах автоматизации4

транзисторами на входе хуже, чем у биполярного. Входные токи операционного усилителя так же влияют на напряжение смещения.

Компенсировать влияние входных токов на смещение нужно правильным выбором сопротивлений во входных цепях (рисунок 2.1). Выбирая сопротивление резистора R3 равным параллельному соединению резисторов

R2 и R1, можно компенсировать эффект влияния входного тока на смещение.

Часть напряжения смещения обусловлена разницей входных токов, но эта составляющая имеет величину на порядок меньшую напряжения смещения и может не учитываться[1].

Рисунок 2.1 - Модель напряжения смещения операционного усилителя Напряжение смещения на выходе ОУ (рисунок 2.1) рассчитывают по

формуле:

11

Рисунок 2.2 - Свойства операционных усилителей в зависимости от технологии их изготовления

Для компенсации влияния входных токов необходимо выполнять условие

(2.2)

или использовать усилители с компенсированными входными токами.

Примерные значения напряжения смещения и величины входных токов для усилителей ведущих фирм производителей ОУ показаны на рисунке 2.2. [1]

2.1.2 Линейность передаточной характеристики ОУ Точность работы схемы зависит также от линейности передаточной

характеристики ОУ. Нелинейность разомкнутого коэффициента передачи напряжения Au непосредственно сказывается на ошибке усиления:

(2.3)

где: коэффициент усиления схемы по номиналам обвязки, например для неинвертирующего усилителя (рисунок 2.1)

(2.4)

Fср-частота единичного усиления ОУ;

– частота сигнала.

12

Очевидно, что для сохранения высокой точности усиления, Au

напряжения остается постоянным при изменении температуры, то ошибку

меняться, внося тем самым, неопределенность в коэффициент передачи. В

большинстве приложений при использовании соответствующего усилителя именно резисторы цепи будут являться основным источником погрешности

сх. Основными причинами изменения Au операционного усилителя являются: изменение уровня выходного напряжения и изменение нагрузки на выходе. Изменение Au в зависимости от уровня сигнала дает нелинейность

сх, которая не может быть учтена калибровкой. Температурный сдвиг так же может быть причиной нелинейности, но его можно компенсировать уменьшением нагрузки до рекомендуемой производителем величины. В

качестве примера на рисунке 2.3 приведен график нелинейности ОУ

OP177.[2]

Рисунок 2.3 - График нелинейности OP177

13

Нелинейность усиления ОУ, как правило, дается в техническом описании усилителей.

2.1.3.Шумы операционного усилителя

Существует три источника шумов в цепи с операционным усилителем:

источник шумового напряжения ОУ, источник шумового тока ОУ и шум резисторов цепи. Шум ОУ имеет два компонента: «белый» шум на средних частотах и фликер-шум или «1/f» шум – на низких частотах, спектральная плотность которого обратно пропорциональна корню квадратному из частоты. Частота, на которой спектральная плотность «1/f» шума равна спектральной плотности «белого» шума называется частотой среза шума и является мерой качества операционного усилителя - чем она ниже, тем лучше ОУ. Шумы ограничивают разрешение прецизионной системы измерения и фильтрацией не избавиться от влияния шума «1/f» при работе в полосе частот, включающей постоянный ток. Единственным способом уменьшения данного типа шума является использование операционного усилителя, стабилизированного прерыванием, который не пропускает низкочастотные компоненты шума. Все некоррелированные источники шумов складываются в квадратурах:

считается доминирующим, и все другие источники шума могут не учитываться. На приведенной ниже схеме (рисунок 2.4) полный шум всех

где: R - сопротивление в Ω,

k - постоянная Больцмана 1.38∙10 -23 Дж/°К,

Т - абсолютная температура °К,

В–полоса частот, Гц.

Шумовой ток важен только тогда, когда он протекает через некоторое сопротивление, генерируя при этом шумовое напряжение. Таким образом,

выбор ОУ по минимуму шумов зависит и от выходного сопротивления источника сигнала.

Рисунок 2.4 - Шумовая модель ОУ При высоком сопротивлении источника сигнала шумовой ток всегда

доминирует в схеме, следовательно, при высоких сопротивлениях источника входного сигнала (десятки КОм) следует выбирать операционный усилитель с возможно более низким шумовым током. При малых сопротивлениях цепи

(обычно < 1КΩ) выбирают усилитель с небольшим шумовым напряжением.

При средних величинах сопротивления доминирующим является тепловой шум[2]. Сравнение некоторых ОУ по уровню шумов приведено на рисунке

2.4. [1]

15

Рисунок 2.4 - Сравнение операционных усилителей по шумам

2.1.4.Ослабление синфазного сигнала и влияния источника

питания

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) есть отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала ОУ.

Рисунок 2.5 - Ослабление синфазного сигнала ОУ

16

Обычно КОСС выражается в децибелах (дБ) и на низких частотах составляет 70 .. 120 дБ, а с повышением частоты снижается (рисунок 2.5).

Операционный усилитель в инвертирующем включении не имеет выходной ошибки, обусловленной синфазным сигналом, так как оба входа находятся под потенциалом общего провода и синфазное напряжение Ucc

отсутствует. При неинвертирующей схеме включения ошибка смещения на выходе усилителя увеличивается:

что необходимо учитывать при расчетах схем.

При изменении напряжения источника питания на выходе операционного усилителя появляется пропорциональное этому изменению напряжение.

Влияние напряжения источника питания на выходное напряжение ОУ оценивается коэффициентом ослабления влияния источника питания

(КОВИП). При определении КОВИП предполагают, что оба источника питания меняются на одну и ту же величину. КОВИП, как правило, имеет весьма большую величину, к тому же измерительные преобразователи по умолчанию запитываются от качественных источников питания,

следовательно, этот коэффициент в большинстве случаев можно не учитывать.

Таким образом, ошибки усиления, вызванные напряжением смещения и током смещения можно исключить путем калибровки усилителя (подстройки

«0»). Шум усилителя не компенсируется и приводит к сужению динамического диапазона усилителя, поэтому необходимо при выборе усилителя учитывать выходное сопротивление источника сигнала.

Нелинейность усиления компенсировать нельзя, значит нужно выбирать усилитель по этому параметру для обеспечения заданного разрешения преобразователя.

17

Параметры некоторых отечественных ОУ приведены в таблице 1, а также всегда можно найти параметры ОУ на сайтах их производителей, например

[3,4,5,6,7].

Таблица 1- Параметры некоторых отечественных ОУ

2.2 Инструментальные усилители

Инструментальный усилитель представляет собой блок с замкнутой обратной связью, который имеет дифференциальный вход и однополярный выход по отношению к общему проводу устройства (рисунок 2.6). Входные

18

сопротивления плеч сбалансированы. В противоположность операционному усилителю, резисторы обратной связи инструментального усилителя отвязаны от сигнальных входов вследствие чего входное сопротивление очень высокое. Коэффициент передачи инструментального усилителя устанавливается либо с помощью внутренних резисторов, либо подключением внешних (через выводы микросхемы). Диапазон изменения коэффициента передачи инструментального усилителя лежит в области

1…10000.

Для обеспечения эффективной работы необходимо, чтобы инструментальный усилитель усиливал слабый дифференциальный сигнал, ослабляя одновременно синфазные сигналы. Для промышленных приложений наиболее общим источником наводки являются силовые цепи промышленной частоты 50Гц и ее гармоник, которые дают синфазную составляющую. Поэтому необходимо учитывать КОСС на этих частотах.

.

Рисунок 2.6 - Инструментальный усилитель Наиболее распространенная схема инструментального усилителя

строится на трех операционных усилителях (Рисунок 2.7). При такой схеме построения усилителя получим высокое входное сопротивление, что обеспечивает снижение требований к источнику сигнала и высокий

19

коэффициент ослабления синфазного сигнала. Коэффициент усиления

дифференциального сигнала данной схемой составляет:

КОСС усилителя растет пропорционально коэффициенту усиления.

В измерительных усилителях, выполненных по приведенной схеме, резистор R1 является внешним и задает значение коэффициента усиления схемы, а сопротивление резисторов R и R2 подгоняются в процессе изготовления микросхем. Подобную схему имеет усилительAD 620 [2]. Значение коэффициента усиления инструментального усилителя задаётся с помощью внешнего резистора в соответствии с формулой или таблицей ,

Рисунок 2.7 - Схема классического инструментального усилителя на трех ОУ.

приводимой в техническом описании микросхемы. Точность внешнего

резистора непосредственным образом влияет на точность усиления, а

температурный коэффициент этого резистора на величину температурного

дрейфа. Если резистор R1 устанавливается внутри микросхемы и задается

программно, как, например, у AD621, то погрешность усиления и

температурный дрейф минимальны. Измерительные усилители описанной

конфигурации выпускаются многими производителями. Типичными

20