Приветствую!
Операционный усилитель. Что нужно знать о входном токе смещения? Почему в схемах с операционным усилителем возникают колебания? Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…? Ответы на эти и многие другие вопросы содержатся в цикле статей руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). Руководство написано Брюсом Трампом (Bruce Trump), проработавшим более 40 лет инженером-разработчиком аналоговой техники, который начинал работать в компании Burr-Brown. После приобретения в 2001 году компании Burr-Brown компанией Texas Instruments Брюс Трамп продолжил работу в обновленной компании.
Материал получен с сайта АО «КОМПЭЛ» — compel.ru.
Все руководство разбито на главы. Здесь будут описаны краткие описания каждой главы. Полную версию можно получить по запросу на deneb-80@mail.ru.
Оригинал на английском языке в формате pdf
A compendium of blog posts on op amp design topics by Bruce Trump (17,1 МиБ, 1 498 hits)
ГЛАВА 1 – Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.
Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.
ГЛАВА 2 – Что нужно знать о входах rail-to-rail
Rail-to-rail ОУ чрезвычайно популярны и полезны при работе с малыми уровнями напряжений питания. Вместе с тем, необходимо понимать, чем приходится расплачиваться за возможность их использования. На рисунке 4 показан входной каскад rail-to-rail, который содержит по паре N-канальных и P-канальных транзисторов. P-канальные полевые транзисторы отвечают за работу с сигналами из нижней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного меньше отрицательного напряжения питания (или потенциала земли в случае ОУ с однополярным питанием).
N-канальные полевые транзисторы работают с сигналами из верхней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного выше положительного напряжения питания. Дополнительные цепи (на рисунке 4 не показаны) определяют, какой из каскадов используется в данный момент. Большинство подобных двухкаскадных ОУ производства компании Texas Instruments (TI) разработано таким образом, что переключение между активными каскадами происходит при напряжении на 1,3 В ниже положительного напряжения питания. При более высоких значениях P-канальным транзисторам не хватает напряжения на затворе, и сигнал перенаправляется к N-канальным ключам.
ГЛАВА 3 – Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
Какое максимально близкое к нулю выходное напряжение могут обеспечить усилители с выходами rail-to-rail? В данном случае я говорю о КМОП-усилителях (CMOS op amp), которые часто используют в низковольтных схемах, когда требуется добиться максимального размаха выходного напряжения. Компания Texas Instruments обычно приводит характеристики для таких устройств в виде, показанном в таблице 1.
Таблица 1. Выходные характеристики усилителей типа Выходные характеристики усилителей типа rail-to-rail
| Параметр | Условия измерения | Минимальное | Типовое | Максимальное | Единицы измерения |
|---|---|---|---|---|---|
| Отличие выходного напряжения от значений напряжений питания | RL = 10 кОм | – | 15 | 25 | мВ |
| RL = 2 кОм | – | 35 | 50 | мВ |
ГЛАВА 4 – Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
Всякий, изучавший электронику, знаком с понятием напряжения смещения. Напряжение смещения операционного усилителя равно выходному напряжению в схеме с единичным усилением G = 1 (рисунок 9а). При выполнении моделирования для учета влияния напряжения смещения может быть использован дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный ко входу усилителя. В схеме с единичным усилением G = 1 это смещение передается напрямую на выход. В схеме с высоким коэффициентом усиления на рисунке 9б выходное напряжение составляет 1000 Vos. Так ли это? Почти, но не совсем. Понимание этого «не совсем» поможет разобраться с частыми ошибками в схемах с ОУ.
ГЛАВА 5 – SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
Не всегда очевидно, как напряжение смещения будет влиять на поведение схемы. Смещение по постоянному току легко симулировать с помощью специальных программ SPICE-моделирования, но макромодели операционных усилителей используют одно конкретное значение напряжения смещения. Чего же следует ждать при изменении этого параметра от устройства к устройству? В данном случае хорошим примером служит улучшенная схема источника тока (рисунок 11). В ней цепи обратной связи подключены одновременно к обоим входам, поэтому не сразу можно понять, как входное напряжение смещения (VOS) операционного усилителя будет влиять на величину выходной ошибки. OPA548 – мощный операционный усилитель с максимальным выходным током 5 А и напряжением питания до 60 В. Он часто используется в схемах источников тока. Рассмотрим, как максимальное напряжение смещения 10 мВ влияет на выходной ток схемы.
ГЛАВА 6 – Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
У новейших операционных усилителей выводы регулировки смещения отсутствуют, хотят раньше они были практически у всех ОУ. Это произошло по целому ряду причин, таких как появление более совершенных усилителей с меньшим смещением, разработка систем автокалибровки, стремление снизить затраты на сбоку и подстройку ОУ, миниатюризация корпусов для поверхностного монтажа. Все это привело к исчезновению выводов подстройки. Стоит отметить, что многие популярные ОУ до сих пор снабжены выводами коррекции напряжения смещения, однако разработчики начали забывать об особенностях их использования.
Самое простое правило: если вы не используете выводы коррекции напряжения смещения, то оставьте их неподключенными. Не подключайте их к земле.
ГЛАВА 7 – Входной импеданс против входного тока смещения
Когда я помогаю выбирать операционные и инструментальные усилители, то часто слышу фразу: «Мне требуется по-настоящему высокий входной импеданс».
На самом деле входное сопротивление редко доставляет настоящие проблемы. (Входная емкость, реактивная часть входного импеданса – другое дело). Вместо этого чаще всего требуется малый входной ток смещения (input bias current, IB). Да, эти параметры связаны между собой, но есть важные отличия. Давайте с ними разберемся.
Самая простая модель входа может быть представлена в виде схемы с параллельным включением источника тока (входной ток смещения) и входного резистора (рисунок 15). Наличие резистора приводит к тому, что ток меняется при изменении напряжения. Входной ток смещения – это входной ток, измеренный при конкретном входном напряжении, обычно – при напряжении средней точки.
ГЛАВА 8 – Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
ОУ с КМОП- и JFET-входами часто выбирают из-за их малого входного тока. Однако кроме строки в таблице параметров существуют дополнительные тонкости, о которых следует знать.
Затвор КМОП-транзистора (рабочий вход операционного усилителя) имеет чрезвычайно малый входной ток. Однако эти чувствительные входы должны быть защищены от электростатического разряда (ESD) и электрических перенапряжений (EOS) с помощью дополнительных схем, которые являются основным источником входного тока смещения. Эти схемы используют встроенные ограничительные диоды, подключенные к напряжению питания. В качестве примера на рисунке 17a представлена схема входного каскада OPA320. Диоды имеют небольшой ток утечки – порядка нескольких пикоампер. При входном напряжении вблизи средней точки их токи утечки довольно хорошо согласованы, а разница между ними не превышает 1 пА, что и определяет величину входного тока смещения усилителя.
ГЛАВА 9 – Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
В предыдущей статье я рассмотрел причины возникновения входного тока смещения в усилителях с КМОП- и JFET-входами, и обнаружил, что ими являются токи утечек обратно смещенных p-n-переходов. В заключении я предупредил, что эти утечки значительно увеличиваются с ростом температуры.
Ток утечки обратно смещенного p-n-перехода имеет сильную положительную температурную зависимость. Он практически удваивается при увеличении температуры примерно на каждые 10°C. Эта экспоненциальная зависимость ускоренно нарастает, как показано на нормализованном графике на рисунке 20. При 125°C величина утечки в 1000 раз больше, чем при комнатной температуре.
ГЛАВА 10 – Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
Используете ли вы дополнительный резистор для выравнивания сопротивлений на входах ОУ в вашей схеме? Рассмотрите схему, представленную на рисунке 22. Многим из нас советовали добавлять резистор Rb, выбирая его значение равным сопротивлению параллельного включения R1 и R2. Давайте проанализируем назначение этого резистора и рассмотрим, когда уместно его использование, а когда – нет.
Оставить сообщение:
[contact-form-7 id=”3550″ title=”Контактная форма 1″]
См. также:
- Справочная информация для инженеров.
- Правильная цоколевка транзисторов.
- Миниатюрный драйвер светодиодов.
- CL6807. Регулировка яркости.
- Генератор импульсов на ATmega8.
- Обозначения схем контактов выключателей (переключателей) и контактов реле (Forms of Contacts).
