некоторое значение входного сигнала и усиливать его последующие отклонения от этого уровня с коэффициентом, точно равным 10, 100 или 1000. Это может оказаться весьма удобным в эксперименте, при котором измеряется малое отклонение какой-нибудь величины (например, прохождения света или поглощения радиочастоты) при изменении условий эксперимента. Обычно трудно точно из.мерить малое изменение большого сигнала постоянного тока из-за дрейфа и неустойчивости усилителя. В такой ситуации нужна схема с предельной прецизионностью и устойчивостью. Мы будем описывать методы и ошибки, встречающиеся при проектировании этой конкретной схемы, в рамках общего описания процесса прецизионного проектирования и таким образом безболезненно изложим то, что могло бы стать иначе утомительным поучением. Одно предварительное замечание; за.манчи-вой альтернативой к описываемой чисто аналоговой схеме могла бы быть цифровая аппаратура. (Следите за захватывающими открытиями в следующих главах!) Проектируемая схема изображена на рис. 7.1.

100,0 кОм Т5,57 кОм

10.0 кОм

500 МОм

Э,1 КОм

1,0 кОМ

Т 15омпенсация V

fi8 КОм

5,1 кОм 5

Храпе--ние

д;-О- Ратл

а кОм

2N3904

100 ком

Rj5 .100 кОм -15

Рис. 7.1. Лабораторный усилитель постоянного тока с автоматическим выбором нуля.

7.04. Бюджет погрешностей при проектировании прецизионной схемы

Для каждой схемной погрешности и соответствующей стратегии проектирования мы отведем несколько параграфов общей дискуссии, проиллюстрированные на предыдущей схеме. Схемные погрешности можно разделить на следующие категории: а) погрешности элементов внешних цепей; б) погрешности ОУ или усилителей, связанных с

Описание схемы. Основой схемы является повторитель (t/i), подключенный ко входу инвертирующего усилителя с переключаемым коэффициентом усиления (i/j), выход которого смещается сигналом, приложенным к его неинвертирующему входу. Транзисторы Ti и Га - это ПТ (см. гл. 6), примененные как простые аналоговые ключи; - Ts используются для формирования уровней управления ключами от входного логического сигнала. Транзисторы Ту - Т^ можно заменить на реле или, если угодно, на выключатели. Молсете их представить себе как простые однополюсные переключатели на одно направление (1П1Н). Когда логический входной сигнал имеет высокий уровень ( хранение ), ключи Ту и Тг замкнуты и (/з заряжает аналоговый конденсатор памяти (Су) до уровня, необходимого для поддержания нулевого входного сигнала L/j. При этом схема не делает никаких попыток отслеживать быстрые изменения сигнала, но в применениях, для которых эта схема предназначена, все сигналы - постоянного тока, и даже желательно их несколько сгладить. Когда ключ размыкается, напряжение на конденсаторе фиксируется, а потому выходной сигнал оказывается пропорциональным последующему отклонению входного сигнала. Перед дальнейшим изложением следует остановиться на некоторых дополнительных особенностях схемы, (а) lI включен в схему первого порядка компенсации тока утечки конденсатора d; конденсатор имеет тенденцию медленно разряжаться через собственное сопротивление утечки (минимум 100 Том, т. е. постоянная времени около двух недель!); ток утечки компенсируется небольшим заряжающим током через Ry, пропорциональным напряжению на конденсаторе Су. (б) Вместо одинарного ПТ-ключа применены два ключа, соединенные последовательно в защищенное от утечки устройство. Pie-большой ток утечки Та в положении выкл проходит на землю через /?i3, поэтому напряжение на стоке Ту не превышает по уровню единиц милливольт по отношению к земле. Поскольку нет сколько-нибудь заметного перепада напряжений на Ту, то нет и сколько-нибудь заметной утечки! (Подобные приемы см. в разд. 3.15 и 6.18). (в) Запоминаемое напряжение с выхода ослабляется делителями на резисторах Ryy- Ryi в соответствии с установленным коэффициентом усиления. Это делается во избежание трудностей с динамическим диапазоном и точностью (/з, так как ошибки дрейфа в схеме, запоминающей начальный уровень, не усиливаются на Пг (подробности см. далее).

ВХОДНЫМИ схемами; в) погрешности ОУ, связанных с выходными схемами. Примерами этих категорий являются соответственно допуски резисторов, сдвиг входного напряжения и погрешности, связанные с конечной скоростью нарастания.

Давайте начнем подсчитывать наш бюджет погрешности. В основе его лежит желание удержать погрешность, приведенную ко входу, в пределах 10 мкВ, дрейф выхода - ниже 1 мВ в 10 мин и точность коэффициента усиления - около 0,01 %. Как и в любом бюджете, каждый пункт выясняется в результате исследования того, чего можно добиться с помощью доступных методов и аппаратуры. В некотором смысле бюджет погрешности - это результат проектирования, а не его исходный пункт. Тем не менее нам удобней иметь его сейчас.

Бюджет погрешности (значения наихудшие)

1. Буферный усилитель U. Погрешности, приведенные ко входу (напряжение)!

Температура 2,4 мкВ/4°С

Время 1,0 мкВ/мес

Источник питания 1,0 мкВ/ЮО мВ изменения

Ток смещения 2,0 мкВ/1 кОм Яш

Нагрев от тока нагрузки 0,5 мкВ на полной шкале 10 В

2. Усилительный каскад и^. Погрешности, приведенные ко входу (напряжение)!

Температура 2,4 мкВ/4С

Время 1,0 мкВ/мес

Источник питания 1,0 мкВ/100 мВ изменения

Токовый дрейф отклонения смещения 1,0 мкВ/4°С

Нагрев током нагрузки 1,0 мкВ при полной шкале

5. Усилитель хранения U3. Погрешности, приведенные ко входу (напряжение)!

Температурный коэффициент сдвига 60 мкВ/4°С

Источник питания 10 мкВ/100 мВ изменения

Потери в конденсаторе (см. бюджет тока) 100 мкВ/мин

Погрешности тока, протекающего через Cj (нужны для бюджета погрешностей По напряжению): Утечка конденсатора

максимум (некомпенс.) 100 пА

типичная (компенс.) 10 пА

Входной ток (Уз 0,2 пА

Сдвиг напряжения Ua и UIRii 1,0 пА

Утечка ПТ-ключа в состоянии выкл 0,5 пА

Утечка по печатной плате 5,0 пА

Смысл различных статей этого бюджета будет выясняться по мере Описания возможностей для выбора, которые будут встречаться при проектировании этой схемы. Мы будем следовать порядку перечисленных категорий погрешностей: компоненты цепей, приведенные ко входу погрешности входного усилителя, погрешности выходного усилителя.

7.05. Погрешности внешних цепей

Степень точности источников опорного напряжения, источников тока, коэффициентов усиления усилителей и т. д. зависит от точности и стабильности резисторов, применяемых во внешних цепях. Даже если прецизионность прямо не требуется, точность элементов может все равно дать значительный эффект, например в подавлении синфазных помех в дифференциальном усилителе, собранном на ОУ (разд. 3.09), г^е отношения двух пар резисторов должны быть точно согласованы. Точность и линейность интеграторов и импульсных генераторов зависит от свойств применяемых конденсаторов, равно как и свойства фильтров, контуров настройки и т. д. Как мы вскоре увидим, в схеме существуют такие цепи, где точность значений компонент является критическим моментом, и такие цепи, где она едва ли играет роль.

Элементы обычно специфицированы по начальной точности, так же как и по изменению значения параметров со временем (стабильность) и температурой. Есть и дополнительные спецификации по коэффициенту напряжения (нелинейность) и необычным эффектам, таким, как память и диэлектрическое поглощение для конденсаторов. Полная спецификация включает также эффекты от циклических температурных изменений и пайки, ударов и вибраций, кратких перегрузок и влажности с точно определенными условиями измерений. Как правило, у элементов с лучшей исходной точностью остальные параметры также соответственно лучше, это делается с целью поднять общую стабильность на уровень, сравнимый с уровнем исходной точности. Тем не менее общая погрешность, порождаемая остальными эффектами, может превзойти указанный начальный допуск. Будьте бдительны!

Вот пример. Металлопленочиый резистор с допуском 1% RN55C имеет следующие паспортные данные: температурный коэффициент 5- 10~?/°С в диапазоне от-55 до 175С; коэффициент стабильности по отношению к циклическим изменениям температуры и нагрузки, а также к пайке - 0,25%, к ударам и вибрации - 0,1%, к влажности - 0,5%. Для сравнения: у композитно-углеродистого резистора эти показатели таковы: температурный коэффициент - 3,3% в диапазоне от 25 до 85°С, пайка и циклическая нагрузка - 4-6%, удар и вибрация - 2%, влажность - 6%. Из этих цифр легко понять, что нельзя отбирать с помощью точного цифрового омметра для работы в прецизионной схеме углеродистые резисторы, которые окажутся в пределах 1% от нужного номинального значения, а следует взять 1%-ный резистор или лучше, рассчитанный как на долговременную стабильность, так и на начальную точность. Для исключительно высокой точности следует применять проволочные резисторы, выпускаемые с допуском 0,01%.

Нуль -усилитель: погрешности элементов. В описываемой схеме (рис. 7.1) резисторы Ra - R с допуском 0,01%, примененные в цепи, устанавливающей коэффициент усиления, дают возможность

очень точно задать значение коэффициента усиления. Как мы увидим дальше, значение выбирается путем компромисса, так как малые его значения уменьшают погрешность от тока сдвига U, но увеличивают нагрев и тепловой дрейф U. Когда значение R задано, то приходится усложнять цепь обратной связи для того, чтобы значения резисторов были меньше 301 кОм - наибольшего значения сопротивления доступных прецизионных резисторов с допуско.м 1 %. Этот прием обсуждался в разд. 3.18. Заметьте, что резисторы с допуском 1% применены также и в цепи аттенюатора начального отклонения {Rn - м); точность здесь несущественна, а пленочные резисторы взяты только ради стабильности.

В этой схеме, как показывает бюджет погрешности, наибольшую погрешность дает утечка конденсатора хранения Сь Конденсаторы, предназначенные для работы с малыми утечками, специфицируются по утечке - иногда в виде сопротивления утечки, иногда в виде постоянной времени (мегаом х микрофарада). В нашей схеме Ci должен иметь значение не меньше по крайней мере нескольких микрофарад, чтобы скорость заряда от токов погрешности других элементов была малой (см. бюджет). В этом диапазоне емкостей наименьшей утечкой обладают полистиреновые, поликарбонатные и полисульфоновые конденсаторы. Выбранный нами конденсатор имеет утечку по спецификации 1 000 000 мегаомX микрофарад, т. е. параллельное сопротивление утечки равно по крайней мере 100 ООО МОм. Но даже и при этом ток утечки при полном выходном напряжении будет 100 пА, что соответствует скорости падения напряжения на выходе около 1 мВ/мин - составляющая погрешности, намного превышающая остальные. Поэтому мы и добавили описанную выше схему компенсации утечки. Мы имеем право предположить, что действительная утечка может быть таким образом уменьшена до 0,1 от значения, указанного в паспорте конденсатора (на самом деле улучшение намного больше). От схемы компенсации утечки не требуется большой стабильности, поэтому наши требования здесь скромны. Как мы увидим при обсуждении влияния сдвигов напряжения, значение Ri намеренно выбирается большим, чтобы сдвиг входного напряжения f/a не создавал заметных погрешностей по току.

Говоря об ошибках, которые порождаются самими внешними по отношению к усилителям элементами, следует отметить, что утечка У ПТ-ключа обычно лежит в диапазоне 1 нА - значение для данной схемы совершенно неприемлемое. Изящный и действенный метод борьбы с этим состоит в применении двух последовательно соединенных ПТ, где утечка создает на Ti напряжение лишь в 1 мВ. (Утечкой в суммирующей точке (Уз можно пренебречь.) Этот метод иногда используется в схемах интеграторов, как было указано в разд. 6.18. Мы также использовали его в усовершенствованной схеме пикового детектора в разд. 3.15. Как будет показано ниже, U3 выбирается таким, чтобы ток погрешности через конденсатор Ci оставался в пикоамперном диапазоне. Здесь всюду одинаковая философия: выбирайте конфигура-

цию схемы и типы элементов согласно бюджету погрешности. Иногда это трудная работа, требующая хитрых приемов, а в остальном она становится легкой из-за применения стандартных навыков.

7.06. Входные погрешности усилителя

Отклонения характеристик входов ОУ от идеальных, обсуждавшиеся в гл. 3 (конечность значений входного сопротивления и входного тока, сдвиг напряжения, подавление синфазного сигнала и отклонений питания, дрейф этих величин с температурой и временем), создают, как правило, серьезные трудности при проектировании прецизионных схем и заставляют делать дополнительную работу при составлении конфигурации схемы, подборе элементов и выборе конкретного ОУ. Это лучше всего пояснить на примерах, что мы вскоре и сделаем. Заметим еще, что эти ошибки или им аналогичные существуют и у специальных схем усилителей на дискретных компонентах.

Входное сопротивление. Давайте бегло обсудим только что перечисленные источники погрешностей. Входное сопротивление образует делитель напряжения с сопротивлением источника, от которого сигнал поступает на усилитель, поэтому коэффициент усиления по отношению к расчетному снижается. Чаще всего это не проблема, поскольку входное сопротивление значительно увеличивается за счет обратной связи. Например, прецизионный операционный усилитель ОР-07 со входным каскадом не ПТ, а биполярным имеет обычное значение полного сопротивления дифференциального типа 80 МОм. В схеме с достаточным петлевым усилением обратная связь поднимает значение синфазного входного полного сопротивления до 200 ООО МОм. Если даже этого мало, то можно пользоваться ОУ с входным ПТ-каскадом, у которого достигает астрономических значений.

Входной ток смеш,ения. Это более серьезная вещь. Здесь речь пойдет о наноамперных токах, а это может вызвать микровольтные ошибки даже для малых полных сопротивлений источника порядка 1 кОм. Снова на выручку приходят ПТ, но тогда приходится мириться с большим возрастанием сдвига по напряжению как с платой за улучшение ситуации с током. Биполярные ОУ со сверхвысоким р, такие, как 312 и LM11, могут тоже иметь малый входной ток. Для примера сравним прецизионный биполярный операционный усилитель ОР-07 с LM11, прецизионным ПТ ОУ AD515K и сверхслаботочным МОП-транзисторным ОУ ICH8500 (см. таблицу на 427 с).

По сравнению с прецизионным ОР-07 у хорошо спроектированного ПТ-усилителя крайне мал ток смещения, но намного больший сдвиг напряжения. Но так как сдвиг напряжения всегда можно настроить на нуль, гораздо большее значение имеет его температурный дрейф. В этом смысле ПТ-усилители имеют параметры в 20 или 100 раз хуже. В операционных усилителях с наименьшими значениями входного тока в качестве входного каскада используются МОП-транзисто-

ры. Они становятся популярными ввиду доступности недорогих устройств, таких, как 3130, 3140 и 3160, а также устройств со сверхмалым током смещения, подобных названному ранее 8500. Однако МОП транзисторы в отличие от ПТ с р - п-переходом и биполярных транзисторов имеют большой дрейф сдвига напряжения со временем - эффект, который мы кратко обсудим. Поэтому выигрыш в погрешностях по току может быть потерян из-за возрастания погрешностей по напряжению. В любой схеме, где ток смещения может дать значительный вклад в ошибку, имеет смысл убедиться в том, что в цепях обоих входов ОУ имеется одно и то же сопротивление, как указывалось в разд. 3.12; в этом случае нас может интересовать только такой параметр ОУ, как ток сдвига.

Помимо сказанного есть еще одно обстоятельство, которое следует помнить, применяя ОУ с ПТ-входом. Дело в том, что входной ток смещения есть на самом деле ток утечки затвора и что он резко растет при повышении температуры (грубо говоря, удваивается при повышении температуры на каждые 10°С). А так как ПТ ОУ часто разогреваются (ИМС 356 рассеивает в покое 150 мВт), то истинный входной ток может быть значительно выше указанного в таблице при 25°С. Входной ток ОУ с входным биполярным каскадом и на самом деле есть ток базы, и с ростом температуры он падает. Поэтому ОУ с ПТ-входом с его впечатляющими на бумаге данными по входному току может не дать большого улучшения по сравнению с хорошим биполярным устройством со сверхвысоким значением р. Пример: AD545 с входным током 1 пА при 25 С будет иметь входной ток 15 пА при температуре чипа 65°С, а это столько же, сколько и у LM316A со сверхвысоким Р или у LM11 при той же температуре. Популярная серия ПТ ОУ355 имеет входной ток, который сравним с входным током LM316A или LM11 при 25°С, но во много раз больше при повышенной температуре.

Сдвиг напряжения. Сдвиг напряжения на входе - очевидный источник погрешности. Так как он может быть настроен на нуль, то единственно существенным является дрейф сдвига со временем из-за изменений температуры и напряжения питания. В этом смысле превосходными параметрами обладают прецизионные биполярные ОУ вроде

Электрические характеристики

ОР-07А

ОР-07

Если ие оговорено иное, то характеристики даны прн i/ =±15 В.

р = 25°С

Скорость нарастания Частота единичного усиления Вылодное сопротивление при

зомкнутой обратной связи Рассеиваемая мощность

Диапазон регулировки сдвига

Следующие характеристики даны при

Сдвиг входного напряжения Дрейф входного напряжения без внешней подстройки с внешней подстройкой Входной ток сдвига Дрейф входного тока сдвига Входной ток смещения Дрейф входного тока смещения Днаш)зон выходного напряжения Коэффициент ослабления синфазных сигналов Коэффициент ослабления влияния

источника питания Коэффициент усиления большого

сигнала по напряжению Максимальный размах выходного напряжения

<) Сдвиг входного напряжения измеряется иа автоматическом испытательном стеиде приблизительно через 0.5 с после включения питания. Сдвиг напряжения ОР-07А измеряется дополнительно через 5 мин после включения питания при 25, -55 и +125°С.

*) Долговременная стабильность сдвига входного напряжения определяется по усредненному тренду временной зависимости U

более 30 дней работы. Если отбросить первый час после включения, то изменения У(.др за первые 30 дней работы обычно составляк^±2,5 мкВ.

за период

сдв

Параметр ие измеряется у всех 100% приборов: 90% всех приборов этой спецификации удовлетворяют.

*) У всех приборов параметр ие измеряется, так как 90% приборов этой спецификации удовлетворяют.

Рис. 7,2. Электрические характеристики ОР-07. (Precision Mono]ithics, Inc., Santa Clara, Calif., 95050).

ОР-07, LH0044 или Ц.А714, но при их применении в бюджете погрешностей может начать доминировать входной ток.

Второй фактор, на который следует обратить внимание,- это самонагрев ОУ при работе на нагрузку с низким полным сопротивлением. Часто для исключения этого эффекта приходится удерживать полное сопротивление нагрузки не ниже 10 кОм, что может ухудшить бюджет погрешностей следующего каскада за счет тока смещения. В нашем примере проектирования мы с этим встретимся. Чтобы получить представление об искусстве подбора режимов работы, посмотрите на спецификации ОР-07 на рис. 7.2 (в виде таблицы на стр. 428-429).

Хотя большинство хороших ОУ имеют выводы для регулировки сдвига, все же имеет смысл выбирать усилитель с наименьшим началь-

ным напряжением сдвига

поскольку дрейф напряжения

сдвига и подавление синфазных напряжений ухудшаются из-за разбаланса, вносимого потенциометром, регулирующим сдвиг. На рис. 7 3 показано, как регулировка сдвига увеличивает температурный дрейф

Из рисунка видно, как зависит регулировка сдвига от оборотов потенциометра, с наилучшим разрешением

обороты ротенциометлра 1 2 3 4 5 t f J 1

в районе центра, особенно для больших значений сопротивления подстроечного потенциометра. (Для ознакомления с другим методом посмотрите регулировку ИСг в схеме кулонометр а в разд. 9.27.)

Как отмечалось раньше, ОУ с ПТ-входами страдают ббльшим, и намного большим, чем у биполярных ОУ, дрейфом (/ в от температуры и времени. В частности, МОП-транзисторы дают такой сильный в этом смысле эффект, какой не бывает ни у ПТ, ни у биполярных транзисторов. Дело в том, что примесь ионов натрия в изолирующем слое медленно перемещается под влиянием электрического поля, порожденного напряжением (/зи, что приводит к дрейфу сдвига напряжения порядка 0,5 мВ за время жизни устройства. Этот эффект усиливается при повышении температуры и при большом сигнале на дифференциальном входе. Например, в паспорте ОУ с МОП-транзисторным входом RCA3140 указано в качестве типичного изменение Uhb 5 мВ за 3000 ч работы при 125°С и входном напряжении 2 В. Мораль: не ставьте ОУ с МОП-транзисторными входами в схему, где важна стабильность

Рис. 7.3. Типичная зависимость сдвига ОУ от числа оборотов регулирующего сдвиг многооборотного потенциометра для нескольких значений температуры.

1> Это не всегда верно. В высококачественных биполярных ОУ нулю сдвига (настроенному) соответствует и минимум дрейфа,- Прим, ред.