Способы борьбы с током смещения
В некоторых случаях током смещения можно пренебречь, если он не оказывает сильного влияния на ваши требования по сигналу. Но если все-таки вы разрабатываете какое-либо точное устройство, где выходной сигнал должен строго вписываться в рамки ТЗ, то в этом случае можно прибегнуть к таким способам:
1) Ставить в цепь обратной связи резистор малого номинала.
На малом сопротивлении падает малое напряжение. Следовательно, на выходе уже будет меньшее постоянное напряжение. Стандартный диапазон резисторов от нескольких килоом и до 50 кОм.
2) Ввести в схему компенсирующий резистор
В этом случае он будет определяться по формуле:
Если все-таки выходной сигнал соответствует вашим ожиданиям и без RК , то лучше его не ставить, так как любой резистор вносит шумовые искажения в сигнал. Зачем лишний раз добавлять в схему шум?
3) Использовать ОУ с входными цепями, построенными на полевых транзисторах, либо подбирать ОУ с малыми токами смещения, благо сейчас технологии производства таких ОУ далеко шагнули вперед.
Инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением
В предыдущей схеме соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо проекта. Например, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1 МОм, а R1=10 кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно. В этих случаях можно применить следующую схему изображенную на рис. 2.
Рис. 2 — Схема инвертирующего усилителя на ОУ с повышенным входным сопротивлением
В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:
То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1
можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.
Применение аналогового сумматора
В настоящее время аналоговый сумматор используется в схемах, где надо суммировать два и более аналоговых сигналов. Это могут быть микшеры звукового диапазона, где надо объединить выходные сигналы от микрофонов, а также от устройств, которые создают различные спецэффекты и которые потом можно добавить к основной звуковой дорожке. Вся прелесть микшеров на ОУ заключается в том, что входные сигналы никак не влияют друг на друга. А также это могут быть схемы операционной обработки сигналов для выполнения арифметической обработки сигналов (сложение/вычитание).
при участии JEER
Рекомендую посмотреть классное видео про сумматор:
Схемотехника компараторов
Схемотехнически простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления (в идеале — бесконечным). Обычно в качестве компараторов напряжения в современной электронике применяют микросхемы операционных усилителей (ОУ). Но существуют и выпускаются специализированные для применения в качестве компараторов микросхемы.
Микросхема компаратора отличается от обычного линейного (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:
Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон дифференциальных входных напряжений (между инвертирующим и неинвертирующим входами), вплоть до значений питающих напряжений, а также полный диапазон синфазных напряжений.
Выходной каскад компаратора обычно конструируют совместимым по логическим уровням и токам с распространённым типом входов логических схем (технологий ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны исполнения выходного каскада компаратора на одиночном транзисторе с , что обеспечивает одновременную совместимость с ТТЛ и КМОП логическими микросхемами.
Микросхемы компараторов не рассчитаны для работы с отрицательной обратной связью как ОУ и при их применении отрицательная обратная связь не используется. И наоборот, для формирования гистерезисной передаточной характеристики компараторы часто охватывают положительной обратной связью
Эта мера позволяет избежать быстрых нежелательных переключений состояния выхода, обусловленном шумами во входном сигнале, при медленно изменяющемся входном сигнале.
При проектировании микросхем компараторов уделяется особое внимание быстрому восстановлению входного каскада после перегрузки и смены знака разности входных напряжений. В быстродействующих компараторах для повышения быстродействия схемотехнически не допускают захода биполярных транзисторов в выходном каскаде в режим насыщения.. Компараторы охваченные положительной обратной связью имеют гистерезис и по сути являются двухпороговыми компараторами, часто такой компаратор называют триггером Шмитта.
Компараторы охваченные положительной обратной связью имеют гистерезис и по сути являются двухпороговыми компараторами, часто такой компаратор называют триггером Шмитта.
При равенстве входных напряжений реальные компараторы и ОУ, включенные по схеме компараторов дают хаотически изменяющийся выходной сигнал из-за собственных шумов и шумов входных сигналов. Обычная мера подавления такого хаотического переключения — введение положительной обратной связи для получения гистерезисной передаточной характеристики.
При программном моделировании компаратора возникает проблема выходного напряжения компаратора при одинаковых напряжениях на обоих входах компаратора. В этой точке компаратор находится в состоянии неустойчивого равновесия. Проблему можно решить множеством разных способов, описанных в подразделе «программный компаратор».
Программное моделирование компаратора
В программах в качестве первого приближения можно использовать простейшую модель асимметричного компаратора, в котором третье значение с равными величинами сравниваемых входных переменных постоянно приписывается к «0» или к «1», в примере, приведенном ниже, третье значение постоянно приписывается к «0»:
DEFINT Y DEFSNG X Xref=2.5 Xin=2.6 IF Xin>Xref THEN Y=1 ELSE Y=0 'Асимметричный компаратор PRINT Y
В более сложных моделях симметричных компараторов третье значение можно, в рамках двоичной логики:
- приписать к «0» или к «1» постоянно,
- приписывать к «0» или к «1» случайным образом динамически,
- учитывать предыдущее значение и считать равенство недостаточным для переключения,
- учитывать первую производную и её равенство нулю считать недостаточным для переключения,
или выйти за рамки двоичной логики и:
- для учёта третьего значения (равенство) применить соответствующую троичную функцию из чёткой троичной логики с чётким третьим значением.
Существующая проблема третьего состояния при программном моделировании, когда два числа, представленные кодовыми словами, могут быть в точности равны, на практике не имеет места: два напряжения не могут в точности совпадать, так как, во-первых, аналоговое напряжение величина неквантуемая, а во-вторых, существует шум, напряжение смещения входов компаратора, и иные возмущения, разрешающие неоднозначность даже в случае равенства входных напряжений аналогового компаратора.
Фильтр высоких частот
Фильтр высоких частот (ФВЧ) требуется для отсекания сигнала, частота которого ниже определенного порога, который называется, кстати, частотой среза. Схема простейших ФВЧ показаны на рис. 6.
| a) | б) |
Рис. 6 — Схемы простейших ФВЧ
а) — с неинвертирующим включением ОУ,
б) — с инвертирующим включением ОУ
Это фильтр первого порядка с ослаблением ненужного сигнала крутизной — 6дБ на октаву. Определить частоту среза можно, рассчитывая реактивное сопротивление конденсатора. Оно равно сопротивлению резистора, включенного последовательно с конденсатором.
где
— частота в Герцах,
— емкость в Фарадах.
Если крутизна фильтра первого порядка кажется недостаточной, можно использовать фильтр второго порядка с крутизной 12 дБ на октаву как показано на рисунке.
Рис. 7 — Схемы ФВЧ второго порядка (фильтр Баттерворта)
Чтобы посчитать его граничную частоту можно воспользоваться следующими соотношениями:
При выборе резисторов надо учесть, что их номиналы должны
лежать в пределах 10-100 кОм, поскольку выходное сопротивление фильтра
растет вместе с частотой и если номиналы резисторов выходят за
вышеуказанные рамки это может сказаться отрицательно на работе фильтра.
Схема на миллион
Типичная цифровая схема состоит из входов, выходов и логических элементов, также называемых вентилями. Сигналы поступают на входы схемы, преобразуются по определенным правилам внутри вентилей (об этом чуть ниже) и подаются на выходы.
В комбинационных схемах состояние сигналов на выходе зависит только от состояния на входе. В последовательностных схемах выход зависит не только от входа, но еще и от внутреннего состояния схемы
В любом случае важно понимать, что сигналы на выходе зависят от входа, не наоборот
В этой статье мы будем рассматривать только комбинационные схемы. Они проще для понимания и наглядней. Кстати, в отечественной литературе нет устоявшегося перевода для последовательностных схем. Кто-то называет их последовательными, кто-то предпочитает кальку с английского языка и использует термин «секвенциальные схемы» (sequential). Разницы нет никакой, но все равно учти это, когда будешь читать дополнительные источники.
Погрешности суммирования
Погрешности операции суммирования определяются
погрешностями, возникающими из-за конечного значения коэффициента усиления ОУ,
дрейфа нуля ОУ, неточностей изготовления резисторов, входного тока ОУ и
динамическими погрешностями.
Погрешности от конечного значения коэффициента
усиления ОУ. Выражение для значения выходного напряжения суммирующего ОУ
показывает, что чем больше коэффициент усиления, тем точнее работает схема.
Абсолютная погрешность схемы определяется разностью двух значений выходного
напряжения–точного и приближенного ΔUK = Uвых
Н – Uвых Т, а
относительная погрешность равна: 
Исходя из величины допустимой погрешности,
можно рассчитать необходимый коэффициент усиления ОУ
Погрешность от дрейфа нуля ОУ. Одну из
основных погрешностей работы ОУ создает дрейф нуля. Это медленно меняющееся
напряжение на выходе ОУ при неизменном входном, в том числе и при равном нулю.
Не приводя всех выкладок и полагая, что коэффициент усиления достаточно велик,
погрешность выходного напряжения от дрейфа нуля равна: 
где Uдр(t)–приведенный ко входу дрейф нуля. Это
такое напряжение, которое следует подать на вход ОУ в каждый данный момент
времени, чтобы компенсировать погрешность ΔUдр(t).
Погрешность от неточного изготовления резисторов.
Эта погрешность может быть вычислена по формуле:
Считая усилитель идеальным,
получим 
Погрешность от входного тока усилителя. Общая
формула суммирующего усилителя выведена в предположении, что входной ток усилителя
равен нулю. В действительности, он имеет определенное значение и вносит
погрешность. Положив Uвх = 0 и UΣ = 0, получим ΔUвхi = iвхR.
Общая абсолютная погрешность суммирующего
усилителя равна сумме её составляющих: ΔU = ΔUK+ ΔUдр+ ΔUR+ ΔUвхi.
Погрешности суммирования и вычитания при
использовании дифференциальных ОУ
Дифференциальный усилитель, как и ОУ с одним входом,
вследствие неидеальности характеристик вносит погрешность при выполнении
математических операций. Помимо погрешностей, вносимых конечным значением
коэффициента усиления, дрейфом нуля ОУ, наличием ненулевого входного тока ОУ,
первичными погрешностями элементов цепи обратной связи, дифференциальный
усилитель имеет специфические параметры, влияющие на точность работы решающего
усилителя:
разностный входной ток Diвх–разность токов по
входам усилителя, измеренная при напряжении на выходе, равном нулю. Значение Diвх
может достигать нескольких мкА.
Как работает сумматор на ОУ на примере
Симуляция работы инвертирующего сумматора
Давайте рассмотрим работу нашего сумматора на ОУ в симуляторе Proteus.
На вход такого сумматора будет подавать синусоидальные сигналы с амплитудой в 1 В, но с разной частотой. На in1 у нас будет сигнал с частотой в 50 Гц, на in2 сигнал с частотой в 100 Гц и на in3 сигнал с частотой в 150 Гц. Как вы видите, все 3 резистора после сигналов имеют одинаковый номинал в 1 кОм для удобства расчета коэффициента усиления. То есть все сигналы будут усиливаться одинаково. Резистор R2 имеем номинал в 2 кОм. Это значит, что коэффициент усиления на выходе будет равен 2. То есть сумма сигналов будет помножена на коэффициент 2 и инвертирована.
Итак, для того, чтобы посмотреть сигналы как на экране осциллографа, можно также воспользоваться инструментом аналоговым анализатором
на рабочем поле появится окно Analogue Analysis
Для того, чтобы анализировать входы, просто переносим в наше окошко входы in1, in2, in3 и выход out, удерживая левую кнопку мыши
В результате увидим это
Разворачиваем окно
Потом нажимаем пробел и в большом окне уже видим все наши сигналы: и входные, и выходной. (нажмите на картинку, откроется в новом окне)
черная осциллограмма — это и есть сумма всех трех синусоид усиленная в 2 раза, но со знаком «минус».
В чистом виде на выходе ОУ у нас будет только черная осциллограмма. Она является суммой всех входных сигналов, помноженная на 2, но со знаком «минус».
Работа неинвертирующего сумматора
Итак, давайте соберем простой нормальный сумматор для, который бы просто складывал сигналы и на выходе выдавал нормальный неинвертированный сигнал. Для того, чтобы создать такой сумматор, наш коэффициент усиления должен быть равен единице, а на выходе мы должны инвертировать такой сигнал. Настало время использовать схему для неинвертирующего сумматора
Итак, все что мы хотим — это просто сложить три сигнала и посмотреть их сумму. И все! Не надо ничего усиливать и инвертировать. Поэтому, наша схема будет выглядеть вот так:
В этой схеме первый каскад на ОУ суммирует входные сигналы, а второй каскад просто инвертирует получившийся сигнал. В каждом усилителе коэффициент передачи равен 1, поэтому, никакого усиления сигнала в данной схеме не происходит.
Итак, осциллограмма со всеми сигналами
Если оставить на экране только осциллограмму выходного сигнала
Тот же самый эффект мы можем получить и с помощью схемы на одном ОУ, о которой я упоминал выше:
Давайте на его входы подадим два одинаковых синусоидальных сигнала, но в противофазе. То есть мы должны получить что-то типа этого
Проверяем симуляцию и видим, что сумма двух одинаковых сигналов в противофазе действительно равняется нулю
Инвертирующий усилитель с однополярным питанием
В некоторых случаях нам даже иногда нужно переместить нулевой уровень на более высокий “пьедестал”, чтобы мы могли полностью усиливать сигнал, если дело касается однополярного питания. Работать с однополярным питанием всегда проще и удобнее, чем с двухполярным. Поэтому, в этом случае надо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усиливать переменный сигнал. То есть добавить постоянную составляющую в сигнал. В этом случае схема примет чуть-чуть другой вид:
Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?
То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.
Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?
Как вы видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала вырезается полностью. Оно и понятно, так как напряжение питания у нас однополярное и проломить “пол” нулевого потенциала невозможно. Но можно сделать одну хитрость: поднять “уровень пола” и дать сигналу место для размаха.
В этом случае нам надо добавить Uсм , для того, чтобы поднять сигнал над уровнем “пола”. Но не все так просто, дорогие друзья!
Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:
Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение Uвых ? Оно должно иметь значение половины Uпит , чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.
В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть Uпит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим Uпит = 30 В. Рассчитываем Uсм :
Проверяем симуляцию, все ок!
Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал – это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.
То есть получилось что-то типа вот этого:
Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр из дифференцирующей цепи, с помощью которого можно отсекать лишние частоты.
Прецизионные ОУ от Maxim Integrated
Помимо ОУ с технологией «AutoZero» Maxim Integrated предлагает семейство усилителей MAX4426013, главной особенностью которого является автоматическая калибровка при включении питания (таблица 2). При подаче питающего напряжения интегрированная в ОУ схема сброса по питанию (POR) удерживает входы и выходы в высокоимпедансном состоянии в течение 10 мс. За это время внутренняя схема коррекции калибрует ОУ. Такая техника позволяет получить напряжение смещения нуля около 50 мкВ.
Таблица 2. Новые прецизионные ОУ от Maxim Integrated
| Наименование | Число ОУ в корпусе | Питание, В | Ток потребления (типовой), мкА | Напряжение смещения (макс), мкВ | CMRR, дБ | PSRR, дБ | Входной ток (макс), нА | Плотность шума входного напряжения, нВ/√Гц | Плотность шума входного тока, нВ/√Гц |
| MAX44260 | 1 | 1,7…5,5 | 750 | 50 | 90 | 95 | 0,0005 | 12,7 | 0,0012 |
| MAX44261 | 1 | 750 | |||||||
| MAX44263 | 2 | 650 |
MAX44260 имеет дополнительный вход SHDN, позволяющий перевести ОУ в режим пониженного потребления (менее 1 мкА). Выходы и входы ОУ при этом находятся в высокоимпедансном состоянии, благодаря этому возможно каскадирование ОУ, что избавляет от необходимости использовать мультиплексоры. При выходе из данного режима калибровка не производится, что позволяет достичь времени пробуждения не более 30 мкс.
В отличие от MAX44260 в ОУ MAX44261 возможно проведение калибровки без выключения питания. Для этого предназначен дополнительный управляющий вход CAL.
Микросхема MAX44263 имеет два ОУ в одном корпусе.
Общей особенностью всех трех микросхем является отсутствие переходных искажений при переходе через 0 (при переключении входных транзисторов). Это достигается наличием внутреннего преобразователя (charge pump). Выходное напряжение этого преобразователя превышает напряжение питания на 1 В и используется для питания входного каскада.
Помимо малого напряжения смещения, MAX44260/1/3 отличаются низким уровнем собственных шумов. Шум входного напряжения составляет 12,7 нВ/ЦГц, шум входного тока 1,2 фА/ЦГц. При этом частота единичного усиления составляет 15 МГц. Низкие шумы и большая частота единичного усиления позволяют применять данное семейство в составе трансимпедансных усилителей (рисунок 4).
Рис. 4. Трансимпедансный усилитель на основе MAX44260
Стоит отметить, что семейство MAX44260/1/3 идеально подходит для портативных устройств с батарейным питанием (ноутбуки, плееры), так как имеет низкое потребление и малое напряжение питания. Типовой питающий ток каждого усилителя составляет 700 мкА. При этом MAX44260 в спящем режиме потребляет всего 1 мкА. Уровень напряжения питания составляет 1,8 В (при температуре от -40 до 125°C), а при температуре от 0 до 70°C всего 1,7 В.
Неинвертирующий усилитель
Схема неинвертирующего усилителя изображена на рис. 3. Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя.
Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.
Рис. 3 — Схема неинвертирующего усилителя на ОУ
Основные параметры данной схемы описываются соотношением:
Отсюда в коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:
Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.
Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.
Коэффициент обратной связи такого усилителя :
В данном случае фаза
сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от
инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении,
которое может достигать 10 МОм и выше. Rвых почти 0.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току — установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100 кОм, как показано на рис. 4.
Рис. 4 — Схема неинвертирующего усилителя на ОУ с разделительным конденсатором
Повторитель напряжения
Повторитель напряжения представляет собой неинвертирующий усилитель, обладающий единичным коэффициентом усиления. Реализуется это замыканием отрицательной обратной связи и подачей полезного сигнала на неинвертирующий вход.
При таком включении операционный усилитель старается обеспечить на выходе точную копию сигнала приходящего на его вход. В каждый момент времени , поэтому описываемая схема и называется повторителем.
Рис. 13 — Схема повторителя напряжения на ОУ
, R1 — бесконечно велико;
Ku=1;
Kос=1;
Rвх очень велико, Rвых почти 0.
Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют также буфером или буферным каскадом. Обладая большим входным и малым выходным импедансами, повторитель, как нельзя лучше, подходит для согласования каскадов по сопротивлению. Таким образом соблюдается главное правило схемотехники — входное сопротивление следующего каскада должно быть минимум в 3, а лучше в 10 раз больше выходного сопротивления предыдущего каскада. В таком случае сигнал не претерпевает искажений.
