зачем оу выводы балансировки

Раздел 3. Операционные усилители (стр. 1 )

зачем оу выводы балансировки. pandia next page. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-pandia next page. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка pandia next page.Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8

зачем оу выводы балансировки. . зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка .

Раздел 3. Операционные усилители.

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О микросхемАХ

Современный операционный усилитель (ОУ) представляет собой микросхему, которая включает в себя несколько каскадов усиления сигнала, при этом между каскадами отсутствуют разделительные конденсаторы, т.е. существует непосредственная гальваническая связь между последовательной цепочкой каскадов усиления. Такие усилители с непосредственной гальванической связью между каскадами называют усилителями постоянного тока (с таким же основанием можно было бы также назвать их усилителями постоянного напряжения, однако это не является общепринятым). В таких усилителях приращение постоянного напряжения на входе зачем оу выводы балансировки. image001 126. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image001 126. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image001 126.вызывает приращение постоянного напряжения на выходе зачем оу выводы балансировки. image002 88. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image002 88. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image002 88., усиленное в некоторое количество раз, которое равно коэффициенту усиления зачем оу выводы балансировки. image003 69. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image003 69. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image003 69., т.е. зачем оу выводы балансировки. image004 59. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image004 59. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image004 59.

Операционный усилитель имеет очень большой коэффициент усиления порядка (зачем оу выводы балансировки. image005 54. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image005 54. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image005 54.). Такая величина усиления, как правило, слишком велика для обычного усилительного каскада. Для того чтобы построить схему усилителя с заданным коэффициентом усиления, к операционному усилителю подключают цепь отрицательной обратной связи. Сигнал по цепи отрицательной обратной связи поступает с выхода ОУ на его вход в противофазе с входным сигналом (со знаком минус) и, следовательно, вычитается из него. Отрицательная обратная связь (ООС) уменьшает коэффициент усиления схемы до необходимой заданной величины. Кроме того, как будет показано ниже, ООС стабилизирует коэффициент усиления, а также снижает нелинейные искажения сигнала, порожденные усилительными каскадами.

зачем оу выводы балансировки. image006 24. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image006 24. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image006 24.

Рис.1.1. Блок- схема внутренней структуры операционного усилителя.

После входного дифференциального каскада следует второй усилительный каскад. Это может быть как дифференциальный каскад, так и каскад с общим эмиттером. При построении О.У. часто применяют каскады с активной нагрузкой для получения максимального усиления в одном каскаде. В схеме О.У. имеется также специфический каскад сдвига уровня постоянного напряжения. Задача этого каскада заключается в том, чтобы сбалансировать распределение напряжений в схеме таким образом, чтобы при нулевых напряжениях на входах усилителя выходное напряжение также было бы равно нулю. После каскадов основного усиления и каскада сдвига уровня следует выходной (оконечный) каскад, который имеет низкое выходное сопротивление. В качестве выходного каскада нередко применяют эмиттерный повторитель, который характеризуется низким выходным сопротивлением.

Операционный усилитель обозначают на принципиальной электронной схеме в виде треугольника с выводами, как это показано на рис.1.2.

Выводы входов и выхода обязательно изображают на чертеже, их назначение очевидно: ввод и вывод сигналов, подключение цепей обратной связи.

Выводы питания иногда не изображают, подразумевая, что они существуют и подключены к источникам питания обычным стандартным образом.

зачем оу выводы балансировки. image007 39. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image007 39. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image007 39.

Рис.1.2. Обозначение операционного усилителя на схеме. Выводы ОУ.

Выводы «балансировка» предназначены для подключения выводов потенциометра (т.е. переменного сопротивления). При этом центральный вывод потенциометра подключается к источнику питания. Индивидуальные рекомендации по подключению цепи «балансировка» даются в справочнике для конкретной микросхемы. Конечная цель балансировки обычно состоит в том, чтобы достичь установки нулевого постоянного напряжения на выходе ОУ при нулевой разности постоянных напряжений на входах ОУ. В некоторых типах усилителей выводы «балансировка» могут отсутствовать, в особенности, если в одном корпусе размещено несколько микросхем ОУ и количества ножек, т.е. контактов корпуса, достаточно лишь только для размещения цепей питания, входов и выходов операционных усилителей.

Рассмотрим пример размещения О.У. в стандартном корпусе. Для примера возьмем высокоточный (прецизионный) операционный усилитель типа К140УД17, размещенный в металлостеклянном корпусе круглой формы (типа 301.8-2) и аналогичный О.У. КР140УД17 размещенный в прямоугольном пластмассовом корпусе (типа 2101.8-1) зачем оу выводы балансировки. image008 16. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image008 16. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image008 16.

Рис.1.3. Расположение выводов операционного усилителя типа К140УД17 в круглом металлостеклянном корпусе (слева), и операционного усилителя типа КР140УД17в прямоугольном пластмассовом корпусе (слева), вид сверху.

На этих рисунках порядок номеров выводов располагается против часовой стрелки. Это соответствует ситуации, когда мы смотрим на микросхему сверху, т.е. со стороны корпуса. Со стороны выводов (ножек) отсчет следует вести по часовой стрелке, начиная от ключа. Ключ – это выступ или выемка на корпусе микросхемы.

Рассмотрим в предварительном порядке некоторые параметры операционного усилителя на примере микросхемы К140УД17А, (КР140УД17А)

Входной ток: не более 4 наноампер (зачем оу выводы балансировки. image009 39. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image009 39. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image009 39.А), эта величина очень мала, вместе с тем, существуют усилители, которые имеют входные токи в сотни раз меньшие, чем указанный выше.

Коэффициент усиления: не менее 200000

Частота единичного усиления: зачем оу выводы балансировки. image010 35. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image010 35. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image010 35.. Эта величина характеризует полосу пропускания усилителя. Усиление ОУ уменьшается при увеличении частоты и спадает до величины зачем оу выводы балансировки. image011 35. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image011 35. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image011 35.при частоте зачем оу выводы балансировки. image010 35. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image010 35. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image010 35..

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения зачем оу выводы балансировки. image012 33. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image012 33. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image012 33.(Вольт на микросекунду). Эта величина, довольно невысокая у данного усилителя, характеризует скорость увеличения выходного напряжения при подаче на вход скачка напряжения. Данная характеристика связана с полосой пропускания О.У.

Напряжение смещения, зачем оу выводы балансировки. image013 33. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image013 33. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image013 33.Этот параметр характеризует неточность внутренней балансировки О.У. при отсутствии внешних цепей балансировки усилителя. Для данного ОУ К140УД17А величина зачем оу выводы балансировки. image013 33. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image013 33. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image013 33.составляет не более 75 мкВ.

Поясним физический смысл этого параметра. Предположим что мы закоротили, т.е. объединили одним проводом входы операционного усилителя. При этом разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю. Несмотря на это, напряжение, измеренное на выходе О.У., не будет равно нулю вследствие некоторого дисбаланса элементов внутри микросхемы. Для того, чтобы напряжение на выходе стало равным нулю необходимо между входами включить некоторый источник напряжения, зачем оу выводы балансировки. image013 33. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image013 33. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image013 33.. Это напряжение называют напряжение смещения.

По известной величине напряжения смещения зачем оу выводы балансировки. image013 33. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image013 33. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image013 33.легко оценить величину погрешности усилителя зачем оу выводы балансировки. image002 88. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image002 88. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image002 88.на выходе усилителя, который охвачен отрицательной обратной связью и имеет коэффициент усиления зачем оу выводы балансировки. image014 34. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image014 34. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image014 34..

Эта погрешность равна зачем оу выводы балансировки. image015 32. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-image015 32. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка image015 32..

Источник

Операционный усилитель

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

зачем оу выводы балансировки. oper 1. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-oper 1. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка oper 1.

зачем оу выводы балансировки. oper 2. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-oper 2. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка oper 2.

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

зачем оу выводы балансировки. Oper. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-Oper. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка Oper.

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

зачем оу выводы балансировки. Oper. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-Oper. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка Oper.

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Питание операционных усилителей

Давайте представим себе батарейку

зачем оу выводы балансировки. batarejka gp. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-batarejka gp. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка batarejka gp.

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть «плюс» и есть «минус». В этом случае «минус» батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

зачем оу выводы балансировки. battery two. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-battery two. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка battery two.

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

зачем оу выводы балансировки. bat two polus. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-bat two polus. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка bat two polus.

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

зачем оу выводы балансировки. in resistance. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-in resistance. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка in resistance.

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения — несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной ток будет равняться нулю.

зачем оу выводы балансировки. in current. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-in current. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка in current.

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

зачем оу выводы балансировки. out resistance. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-out resistance. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка out resistance.

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

зачем оу выводы балансировки. oamp simple shema. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-oamp simple shema. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка oamp simple shema.

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

зачем оу выводы балансировки. work ou. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-work ou. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка work ou.

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

зачем оу выводы балансировки. lm358 oamp. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-lm358 oamp. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка lm358 oamp.

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

зачем оу выводы балансировки. lm358 action. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-lm358 action. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка lm358 action.

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

зачем оу выводы балансировки. action lm358. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-action lm358. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка action lm358.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

зачем оу выводы балансировки. simple oamp. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-simple oamp. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка simple oamp.

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

зачем оу выводы балансировки. simple oamps. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-simple oamps. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка simple oamps.

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

зачем оу выводы балансировки. voltage equal. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-voltage equal. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка voltage equal.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

зачем оу выводы балансировки. zero volt. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-zero volt. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка zero volt.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

зачем оу выводы балансировки. sin signal. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-sin signal. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка sin signal.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

зачем оу выводы балансировки. signals on oscil. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-signals on oscil. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка signals on oscil.

Скорость нарастания выходного напряжения

Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения VUвых .

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

Также смотрите видео «Что такое операционный усилитель (ОУ) и как он работает»

Источник

Практические аспекты ОУ. Напряжение смещения, ток смещения, дрейф

У реальных операционных усилителей по сравнению с «идеальной» моделью есть некоторые недостатки. Реальное устройство отличается от идеального дифференциального усилителя. У него может быть смещение как у аналогового измерительного устройства, которое не обнуляется. Входы могут потреблять ток. Характеристики могут дрейфовать с возрастом и температурой. Эти недостатки могут привести к незначительным ошибкам в одних приложениях и недопустимым ошибкам в других приложениях. В некоторых случаях эти ошибки могут быть компенсированы. Иногда требуется более высокое качество и более дорогостоящее устройство.

Напряжение смещения

Другой практической проблемой для производительности операционного усилителя является смещение напряжения. То есть влияние наличия выходного напряжения на величину, отличную от нуля, когда два входных вывода закорочены вместе. Помните, что операционные усилители – это, прежде всего, дифференциальные усилители: они должны усиливать разность напряжений между двумя входными выводами и не более того. Когда разность входных напряжений точно равна нулю, мы (в идеале) ожидаем, что на выходе будет точно нулевое напряжение. Однако в реальном мире это случается редко. Даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет нулевой коэффициент усиления синфазного сигнала (бесконечный CMRR), выходное напряжение может быть не равным нулю, когда оба входа закорочены вместе. Это отклонение называется смещением выходного уровня операционного усилителя.

зачем оу выводы балансировки. 42ec57a00c4030622159b18ec09a5685656f9d2b. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-42ec57a00c4030622159b18ec09a5685656f9d2b. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка 42ec57a00c4030622159b18ec09a5685656f9d2b. Смещение выходного напряжения операционного усилителя

Идеальный операционный усилитель выдает ровно ноль вольт, когда оба входа закорочены вместе и соединены с землей. Тем не менее, большинство стандартных операционных усилителей будут сдвигать свое выходное напряжение в сторону уровня насыщения, либо отрицательного, либо положительного. В приведенном выше примере выходное напряжение насыщается при значении положительных 14,7 вольт, чуть меньше, чем +V (+15 вольт) из-за предела положительного насыщения этого конкретного операционного усилителя. Поскольку смещение приводит выходное напряжение к точке полного насыщения, нельзя сказать, какое смещение напряжения присутствует на выходе. Если раздельный источник питания +V/-V был достаточно высокого напряжения, кто знает, может быть, выходное напряжение составляло бы несколько сотен вольт из-за влияния смещения!

По этой причине напряжение смещения обычно выражается через эквивалентную величину дифференциального входного напряжения, создающего этот эффект. Другими словами, мы предполагаем, что операционный усилитель является идеальным (без смещения вовсе), и небольшое напряжение прикладывается последовательно с одним из входов, чтобы заставить выходное напряжение в ту или иную сторону отойти от нуля. Поскольку дифференциальные коэффициенты усиления операционных усилителей настолько велики, значение «входного напряжения смещения» необязательно должно учитывать то, что мы видим с закороченными входами:

зачем оу выводы балансировки. 40548ff445b3e176e544ff63225e3345e35f4493. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-40548ff445b3e176e544ff63225e3345e35f4493. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка 40548ff445b3e176e544ff63225e3345e35f4493. Входное напряжение смещения

Напряжение смещения будет приводить к небольшим ошибкам в любой схеме на операционных усилителях. Итак, как мы компенсируем его? В отличие от синфазного коэффициента усиления, производители обычно предусматривают средства устранения смещения в корпусных операционных усилителях. Обычно два дополнительных вывода на корпусе операционного усилителя зарезервированы для подключения внешнего «подстроечного» потенциометра. Эти выводы обозначаются как смещение нуля и используются следующим обобщенным образом:

зачем оу выводы балансировки. 30e202fe890350b4c868e48b8e89822cc855b9a7. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-30e202fe890350b4c868e48b8e89822cc855b9a7. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка 30e202fe890350b4c868e48b8e89822cc855b9a7. Схема смещения нуля операционного усилителя

На одиночных операционных усилителях, таких как 741 и 3130, выводы смещения нуля – это выводы 1 и 5 на 8-выводном DIP корпусе. Другие модели операционных усилителей могут использовать другие выводы для смещения нуля и/или потребовать немного отличающиеся схемы подключения подстроечного потенциометра. Некоторые операционные усилители вообще не предоставляют выводов смещения нуля! Подробности смотрите в технических описаниях от производителей.

Ток смещения

Входы операционного усилителя имеют чрезвычайно высокие импедансы. То есть входные токи, поступающие или выходящие из двух входных сигнальных выводов операционного усилителя, чрезвычайно малы. Для большинства целей анализа схем на операционном усилителе мы относимся к ним так, как будто их вообще нет. Мы анализируем схему, как если бы ток, входящий или выходящий из входных выводов, был равен абсолютному нулю.

Однако эта идиллическая картина не совсем верна. Операционные усилители, особенно операционные усилители с биполярными транзисторами на входах, должны пропускать некоторый ток через свои входные выводы, чтобы их внутренние схемы были правильно смещены. Эти токи, логично, называются токами смещения. При определенных условиях токи смещения операционного усилителя могут вызывать проблемы. Следующая схема иллюстрирует одно из этих проблемных условий:

зачем оу выводы балансировки. c0bc61e2a505b836ab77b24d72a52cdab25a9b0d. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-c0bc61e2a505b836ab77b24d72a52cdab25a9b0d. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка c0bc61e2a505b836ab77b24d72a52cdab25a9b0d. Усиление сигнала с термопары

На первый взгляд мы не видим никаких явных проблем с этой схемой. Термопара, создающая небольшое напряжение, пропорциональное температуре (на самом деле, напряжение пропорционально разнице температур между измерительным переходом и «опорным» переходом, сформированным при соединении проводов сплава термопары с медными проводами, ведущими к операционному усилителю), управляет операционным усилителем либо в положительную, либо в отрицательную сторону. Другими словами, это своего рода схема компаратора, сравнивающая температуру между переходом на конце термопары и опорным переходом (около операционного усилителя). Проблема заключается в следующем: проводная петля, образованная термопарой, не обеспечивает путь для обоих входных токов смещения, поскольку оба тока пытаются идти одним и тем же путем (либо в операционный усилитель, либо из него).

зачем оу выводы балансировки. 3b2ad85b5dba186ea6cd8779d797f345664f849c. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-3b2ad85b5dba186ea6cd8779d797f345664f849c. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка 3b2ad85b5dba186ea6cd8779d797f345664f849c. Эта схема компаратора не будет работать

Чтобы эта схема работала должным образом, мы должны соединить с землей один из входных проводов, таким образом обеспечивая путь к (или из) точке земли для обоих токов:

зачем оу выводы балансировки. 8b834e77f67e41a8c6a3db7e2711b2003d2340c1. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-8b834e77f67e41a8c6a3db7e2711b2003d2340c1. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка 8b834e77f67e41a8c6a3db7e2711b2003d2340c1. Эта схема компаратора будет работать

Эта проблема необязательно очевидна, но очень реальна!

Входные токи смещения могут вызвать проблемы другим способом: нежелательные падения напряжения на сопротивлениях схемы. Возьмем для примера следующую схему:

зачем оу выводы балансировки. b32cdd86f0f77f56bfac87fc342fcc0dc10bfca3. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-b32cdd86f0f77f56bfac87fc342fcc0dc10bfca3. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка b32cdd86f0f77f56bfac87fc342fcc0dc10bfca3. Влияние входного тока смещения на работу повторителя напряжения

Мы ожидаем, что схема повторителя напряжения, такая как приведенная выше, точно воспроизводит на выходе входное напряжение. Но что насчет сопротивления последовательно с источником входного напряжения? Если есть какой-либо ток смещения через неинвертирующий (+) вход, он вызовет некоторое падение напряжения на Rвх, таким образом, напряжение на неинвертирующем входе будет не соответствовать фактическому значению Vвх. Токи смещения обычно находятся в диапазоне микроамперов, поэтому падение напряжения на Rвх будет не очень большим. Одним из примеров приложения, где входное сопротивление (Rвх) может быть очень большим, является то, которое имеет электроды pH-пробника, где один электрод содержит ионно-проницаемый стеклянный барьер (очень плохой проводник с сопротивлением в миллионы ом).

Если бы мы на самом деле строили схему на операционном усилителе для измерения напряжения на pH электроде, мы бы, вероятно, захотели использовать операционный усилитель с входами на полевых (FET или MOSFET, IGFET) транзисторах, вместо операционного усилителя с входами на биполярных транзисторах (для уменьшения входного тока смещения). Но даже тогда, могут оставаться небольшие токи смещения, которые могут вызывать ошибки измерений, поэтому мы должны найти какой-то способ уменьшить их с помощью хорошего проектирования.

Один из способов сделать это основан на предположении, что два входных тока смещения будут одинаковыми. В действительности, они часто близки к тому, чтобы быть одинаковыми, разница между ними называется током входного смещения. Если они одинаковы, тогда мы должны иметь возможность убрать влияние падения напряжения на входном сопротивлении, вставив сопротивление равной величины последовательно с другим входом, например:

зачем оу выводы балансировки. 75930d72826416523f88ab0a52e21000bda48f01. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-75930d72826416523f88ab0a52e21000bda48f01. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка 75930d72826416523f88ab0a52e21000bda48f01. Устранение влияния падения напряжения на входном сопротивлении

При добавлении в схему дополнительного сопротивления выходное напряжение будет ближе к Vвх, чем раньше, даже если есть некоторое смещение между этими двумя входными токами.

И для схемы инвертирующего усилителя, и для схемы неинвертирующего усилителя компенсирующий резистор помещается последовательно с неинвертирующим (+) входом, чтобы компенсировать падения напряжения в цепи делителя из-за тока смещения.

зачем оу выводы балансировки. e54daff05fbc304156c0326bb8b37a574e19ddca. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-e54daff05fbc304156c0326bb8b37a574e19ddca. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка e54daff05fbc304156c0326bb8b37a574e19ddca. Установка компенсирующего резистора в схему неинвертирующего усилителя зачем оу выводы балансировки. 0dc249a66fe08e876f144620108e40c31153d9dd. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-0dc249a66fe08e876f144620108e40c31153d9dd. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка 0dc249a66fe08e876f144620108e40c31153d9dd. Установка компенсирующего резистора в схему инвертирующего усилителя

В любом случае значение компенсирующего резистора определяется путем вычисления параллельного сопротивления R1 и R2. Почему значение равно параллельному эквиваленту R1 и R2? При использовании теоремы суперпозиции для определения того, насколько большое падение напряжения будет создаваться током смещения инвертирующего (-) входа, мы рассматриваем ток смещения, как если бы он исходил от источника тока внутри ОУ и закорачивал все источники напряжения (Vвх и Vвых). Это дает два параллельных пути для тока смещения (через R1 и через R2, оба на землю). Мы хотим дублировать эффект тока смещения на неинвертирующем (+) входе, поэтому значение резистора, которое мы выбираем для вставки последовательно с этим входом, должно быть равно R1 параллельно с R2.

Связанная с этим проблема, которую иногда испытывают учащиеся при изучении построения схем на операционных усилителях, вызвана отсутствием соединения источника питания с общей землей. Для правильной работы ОУ необходимо, чтобы какой-либо вывод источника питания постоянного напряжения был общим с точкой «земли» входного сигнала(ов). Это обеспечивает полный путь для токов смещения, тока(ов) обратной связи, а также для (выходного) тока нагрузки. Возьмем для примера следующую схему, показывающую источник питания, правильно соединенный с землей:

зачем оу выводы балансировки. cd5d2fd52fd461012b9b1a0f908ac60c32ae0f10. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-cd5d2fd52fd461012b9b1a0f908ac60c32ae0f10. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка cd5d2fd52fd461012b9b1a0f908ac60c32ae0f10. Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя

Здесь стрелки обозначают путь протекания токов через батареи источника питания, как для питания внутренних схем операционного усилителя («потенциометр» внутри него, который управляет выходным напряжением), так и для питания петли обратной связи из резисторов R1 и R2. Предположим, что точка земли этого «раздельного» источника питания постоянного напряжения была удалена. Эффект от этого будет огромен:

зачем оу выводы балансировки. 1e4492c4f034efb0f50b5b82ea208c7a1ebfb87c. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-1e4492c4f034efb0f50b5b82ea208c7a1ebfb87c. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка 1e4492c4f034efb0f50b5b82ea208c7a1ebfb87c. Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя. Средняя точка земли у источника питания удалена.
Соединение источника питания с землей обязательно для работы схемы!

Никакие электроны не могут протекать в или из выходного вывода операционного усилителя, потому что путь к источнику питания заканчивается «тупиком». Таким образом, никакие электроны не протекают ни через точку земли слева от R1, ни через петлю обратной связи. Это фактически делает операционный усилитель бесполезным: он не может ни поддерживать ток через петлю обратной связи, ни через соединенную с землей нагрузку, поскольку нет никакого соединения какой-либо точки источника питания с землей.

Токи смещения также останавливаются, поскольку они полагаются на путь к источнику питания и обратно к входному источнику через землю. На следующем рисунке показаны токи смещения (только), когда они проходят через входные выводы операционного усилителя, через выводы баз входных транзисторов и, в конечном счете, через вывод(ы) источника питания и обратно на землю.

зачем оу выводы балансировки. f9dada4b144e9bcc1a925c7726138a4f967caad5. зачем оу выводы балансировки фото. зачем оу выводы балансировки-f9dada4b144e9bcc1a925c7726138a4f967caad5. картинка зачем оу выводы балансировки. картинка f9dada4b144e9bcc1a925c7726138a4f967caad5. Пути протекания входных токов смещения в схеме на операционном усилителе.
Пути протекания токов смещения показаны через источник питания

Без опорной точки земли на источнике питания токи смещения не будут иметь полного пути в схеме, и они будут остановлены. Поскольку биполярные транзисторы являются устройствами, управляемыми током, это также делает бесполезным входной каскад операционного усилителя, так как оба входных транзистора будут вынуждены уйти в режим отсечки из-за полного отсутствия тока базы.

Резюме

Дрейф

Будучи полупроводниковыми устройствами, операционные усилители подвергаются незначительным изменениям в поведении при изменениях рабочей температуры. Любые изменения в производительности ОУ, связанные с температурой, относятся к категории дрейфа операционного усилителя. Параметры дрейфа могут быть указаны для токов смещения, напряжения смещения и т.п.. Для более подробной информации смотрите техническое описание на конкретный операционный усилитель от производителя.

Чтобы свести дрейф операционного усилителя к минимуму, мы можем выбрать операционный усилитель, имеющий минимальный дрейф, и/или мы можем сделать всё возможное, чтобы поддерживать рабочую температуру как можно более стабильной. Последнее действие может включать в себя обеспечение некоторой формы управления температурой для внутренней части оборудования, в которой размещается операционный усилитель(и). Это не так странно, как может показаться на первый взгляд. Известно, что, например, в стандартных лабораторных опорных генераторах точного напряжения иногда используются «печи» (термостаты) для поддержания чувствительных компонентов (таких как стабилитроны) при постоянной температуре. Если требуется высокая точность при обычных факторах стоимости и гибкости, это может быть вариант, на который стоит обратить внимание.

Резюме

Операционные усилители, будучи полупроводниковыми устройствами, подвержены изменениям температуры. Любые изменения в производительности усилителя, возникающие в результате изменения температуры, известны как дрейф. Дрейф лучше всего минимизировать с помощью управления температурой окружающей среды.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *