6. Компенсация смещения

Рассмотрим некоторые вопросы, возникающие при создании схем на реальных ОУ. Как отмечалось ранее, в силу неидеальности ОУ при нулевом входном дифференциальном напряжении может присутствовать ненулевое напряжение — напряжение смещения . Напряжением сдвига называют входное дифференциальное напряжение (его модуль), необходимое для устранения имеющегося смещения на выходе ОУ:

.

Одной из причин появления смещения являются нежелательные нескомпенсированные напряжения, появляющиеся на внутренних элементах ОУ. Такое смещение обычно устраняют балансировкой ОУ или подачей на вход ОУ напряжения сдвига.

Другой причиной появления смещения может являться неравенство токов смещения реального операционного усилителя в конкретной схеме его включения. Током смещения входа ОУ называется ток, необходимый для работы входного каскада ОУ. Данный ток формируется внутренними цепями операционного усилителя. Обычно требуемые токи смещения для обоих входов примерно одинаковы, однако при включении ОУ в реальную схему они могут существенно различаться.

Рис. 92	л12р1

Рассмотрим влияние неодинаковости токов смещения на примере инвертирующего усилителя (см. рис. 87). Через инвертирующий вход будет протекать некоторый ток смещения , который вызовет появление на инвертирующем входе ОУ напряжения смещения . Считаем, что вход усилителя (схемы, а не ОУ!) соединен с общим проводом и выходным сопротивлением ОУ пренебрегаем. Появление этого напряжения вызовет появление напряжения смещения на выходе ОУ: .

Если токи смещения обоих входов операционного усилителя одинаковы, то для компенсации их негативного влияния следует в цепь неинвертирующего входа включить резистор сопротивлением (резистор на рис. 92). Очевидно, что в этом случае при равенстве токов смещения входов ОУ на обоих его входах появятся одинаковые напряжения смещения, что будет способствовать установлению на выходе ОУ нулевого напряжения при отсутствии сигнала.

Последнее утверждение справедливо, если смещение на выходе ОУ определялось только токами смещения. Однако, как отмечалось выше, смещение может вызываться различными факторами. В этих условиях прибегают к устранению смещения при помощи внешней подстройки (установки, балансировки) нуля ОУ. На рис. 93 показана возможная схема внешней установки нуля инвертирующего усилителя, в которой формируется дополнительное напряжение сдвига.

Рис. 93	л12р2

Данная схема позволяет изменять напряжение на выходе ОУ, не затрагивая цепь обратной связи, что является достоинством схемы. Для компенсации смещения, вызванного токами смещения, необходимо выполнить равенство . Сопротивление выбирают много больше сопротивления , что устраняет влияние резистора на схему компенсации смещения.

Сопротивление потенциометра должно быть достаточно большим, чтобы он не нагружал источник питания, однако ток через него должен быть как минимум в 40 раз больше тока смещения ОУ. Предельные напряжения смещения, компенсируемые данной схемой, примерно равны (с учетом знака) .

Рассмотрим пример расчета цепи компенсации смещения. Пусть имеется инвертирующий усилитель, у которого , , , . Используем для схемы устранения смещения внешний источник напряжением . Определим сопротивления всех резисторов схемы устранения смещения. Из условия компенсации смещения, вызванного токами смещения, найдем суммарное сопротивление резисторов и : . Сопротивление резистора существенной роли не играет, примем , что существенно больше сопротивления , а, значит, и . Затем рассчитаем величину сопротивления : . Назначим . В этом случае , примем . Сопротивление переменного резистора примем , что удовлетворит всем требованиям.

Нетрудно видеть, что показанная на рис.  93 схема компенсации смещения инвертирующего усилителя является вариантом рассмотренной выше схемы сложения-вычитания: к входному напряжению прибавляется некоторое напряжение, снимаемое с потенциометра .

Устранение смещения для неинвертирующего усилителя производится аналогичным образом (рис. 94,а). Сопротивление резистора определяется как , где в качестве сопротивления фигурирует суммарное сопротивление элементов и . Это же суммарное сопротивление должно использоваться при вычислении коэффициента усиления данной схемы. Так как делитель напряжения устанавливается в цепи обратной связи, то сопротивление должно быть много больше сопротивления .

а)	б)
Рис. 94		л12р4

Вариант схемы устранения смещения в усилителе с дифференциальным входом показан на рис. 94,б. Делитель напряжения представляет собой часть обратной связи, поэтому в выражении для определения коэффициента усиления схемы должна присутствовать сумма . Сопротивление должно быть много больше сопротивления и сопротивления . Специальная компенсация смещения, вызванного разными токами смещения ОУ, в данной схеме не производится, т. к. обычно и , что и устраняет данное смещение.