отрегулированного напряжения сдвига (исключением являются усилители с периодической компенсацией дрейфа ПКД, описываемые в разд. 7.09, посвященном усилителям для измерительной аппаратуры).

Коэффициент ослабления синфазных сигналов (КОСС),

Недостаточный коэффициент ослабления синфазных сигналов КОСС ухудшает точность схемы, поскольку появляется сдвиг напряжения, зависящий от уровня постоянного сигнала на входе. Обычно этим эффектом можно пренебречь, так как он эквивалентен малому изменению коэффициента усиления и в любом случае может быть преодолен за счет выбора конфигурации: инвертирующий усилитель в отличие от неинвертирующего нечувствителен к КОСС операционного усилителя. Однако в измерительных усилителях часто выделяется малый сигнал на фоне большого синфазного смещения, поэтому большое значение КОСС является существенным параметром. В этом случае надо тщательно продумать конфигурацию схемы, выбрав опять-таки ОУ высшего класса вроде ОР-07 с минимальным КОСС, равным 110 дБ. Для сравнения: ОУ741 обладает весьма умеренным КОСС: от 70 до 80 дБ. Мы в дальнейшем кратко рассмотрим дифференциальные и измерительные усилители с высоким коэффициентом усиления и высоким КОСС.

Коэффициент ослабления влияния источника питания

(КОИП). Изменение напряжения питания является причиной небольших погрешностей ОУ. Как и большинство параметров ОУ, коэффициент ослабления изменений питания специфицируется по отношению к сигналу на входе. Например, ОР-07 по спецификации обладает коэффициентом ослабления влияния источника питания (КОНП) более 100 дБ на постоянном токе, т. е. изменение напряжения одного из источников питания на 0,1 В создает выходной сигнал, эквивалентный изменению сигнала на дифференциальном входе на 1 мкВ. КОИП резко падает с ростом частоты, и график, подтверждающий это его безобразное поведение, часто приводится в паспортных данных. Например, для ОР-07 Спад КОИП начинается на частоте 3 Гц и приводит к значению 80 дБ при 60 Гц и 40 дБ при 10 кГц. На самом деле это не создает трудностей, поскольку шум источника питания также падает при увеличении частоты, если источник питания как следует шунтирован емкостью. Правда, при использовании нестабилизированного источника питания могут доставить неприятности пульсации с частотой 120 Гц.

Тот факт, что КОИП для источников положительного и отрицательного напряжения питания, вообще говоря, различен, не играет никакой роли. Поэтому применение сдвоенного стабилизатора (разд. 5.19) может не дать никакого преимущества.

Нуль -усилитель: входные погрешности. Схема усилителя на рис. 7.1 начинается с повторителя. Это сделано для обеспечения большого входного полного сопротивления. Здесь есть соблазн применить ПТ, но потери от большого (Усдв перекрывают выигрыш, даваемый малым значением входного тока, за исключением тех случаев, когда

ИСТОЧНИК имеет большое полное сопротивление. Для ОУ ОР-07 ток смещения 2 нА создает погрешность 2 мкВ на 1 кОм полного сопротивления источника сигнала, а AD515K, хотя и даст пренебрежимо малую погрешность от тока, имеет дрейф сдвига напряжения порядка 64 мкВ/4°С (4°С - это принято за стандартный диапазон отклонений температуры внешней среды в лаборатории). Входной повторитель снабжен настройкой нуля сдвига, поскольку начальное значение 25 мкВ (по спецификации) слишком велико. Как отмечалось выше, обратная связь увеличивает входное полное сопротивление до 200 ООО МОм, и тем самым ошибка коэффициента усиления, порожденная конечным полным сопротивлением источника, меньшим 20 МОм, будет меньше 0,01%. Диоды Д1 и Дг включены в схему для защиты от слишком больших напряжений на входе и должны иметь малую утечку (менее 1 нА).

(/i управляет инвертирующим усилителем ((/2), а значение R3 выбирается из соображений компромисса между погрешностью температурного сдвига (/i и погрешностью дрейфа тока смещения (/2. Выбранное значение удерживает нагрев в пределах 5,6 мВт (при наихудших условиях 7,5 В на выходе), что ведет к повышению температуры на 0,8°С (тепловое сопротивление ОУ около 0,14°С/мВт, см. разд. 5.4) с соответственным дрейфом напряжения около 0,5 мкВ. Сопротивление источника 10 кОм на входе (/2 создает погрешность тока смещения, но так как Ыг вместе с (/3 охвачены петлей обратной связи, сводящей полный сдвиг к нулю, то единственный существенный параметр - это температурный дрейф токовой погрешности. Для ОР-07 в паспорте приводятся данные о температурном дрейфе тока смещения (не часто указываемые изготовителями), из которых следует, что вклад дрейфа тока в бюджет погрешности равен 1 мкВ/4°С. Снижение значения уменьшит этот вклад, но ценой увеличения погрешности от нагрева.

Как было сказано выше в общем описании схемы, значение таково, что требуется использование причудливого Т-образного звена в обратной связи, чтобы значения резисторов обратной связи оказались в диапазоне номиналов прецизионных проволочных резисторов. Если пользоваться обычной конфигурацией инвертирующего усилителя, то понадобились бы резисторы на 100 кОм, 1 МОм и 10 МОм для коэффициента усиления 10, 100 и 1000 соответственно.

Входное полное сопротивление (/2 может вызвать некоторые затруднения. При коэффициенте усиления, равно.м 1000, его дифференциальное входное сопротивление 80 МОм умножается благодаря следящей связи на Ли/1000 и составляет в замкнутой схеме 4000 МОм. К счастью, это более чем в миллион раз превосходит выходное сопротивление цепи, устанавливающей коэффициент усиления, поэтому погрешность будет намного меньше 0,01 %. Это один из худших случаев, какой только можно себе представить, но даже и здесь входное сопротивление ОУ не создает проблем. Отсюда видно, что входное сопротивление ОУ пе создает никаких эффектов, которые стоило бы учитывать.

Дрейф напряжения сдвига Ui и (Уг от времени, температуры и дапряжения питания влияют на суммарную погрешность в равной степени, и их значения приведены в бюджете. Укажем, что они автоматически компенсируются в каждом обнуляющем цикле, поэтому играет роль только кратковременный дрейф. Эти погрешности благодаря качеству ОУ лежат в микровольтовом диапазоне. имеет несколько больший дрейф, но его приходится брать ПТ-типа для обеспечения малых значений тока утечки конденсатора. Так как выходной сигнал t/j ослабляется пропорционально выбранному коэффициенту усиления, то эта погрешность по отношению к входному сигналу при больших коэффициентах усиления ослабляется. Это важный факт, поскольку большие коэффициенты усиления употребляются при низких уровнях сигнала, для которых требуется большая точность. Погрешности, создаваемые (Уз на выходе, всегда одинаковы, поэтому они специфицируются в бюджете погрешностей как выходные погрешности (приведенные к выходу).

Обратите внимание на некоторые общие принципы проектирования, которые проясняются на этом примере: вы решаете некоторый набор задач, выбирая конфигурацию и элементы так, чтобы уменьшить погрешности до приемлемых значений. Необходимо при этом идти на некоторые компромиссы и уступки, при этом их выбор зависит от внешних факторов (например, использование повторителя с ПТ-входом предпочтительнее, если полное сопротивление источника сигнала больше 50 кОм).

В табл. 7.1 содержатся данные ОУ, которые можно использовать при проектировании прецизионных схем.

7.07. Выходные погрешности усилителя (приведенные к выходу)

Как указывалось в гл. 3, операционные усилители имеют существенные ограничения, связанные с их выходным каскадом. Ограниченная скорость нарастания, нелинейные искажения выходного сигнала (см. разд. 2.14), конечное выходное сопротивление разомкнутого контура могут причинить неприятности, и, если их не учитывать, могут привести к ошеломляюще большим погрешностям прецизионной схемы.

Скорость нарастания: общие соображения. Как отмечалось в разд. 3.11, изменения напряжения выходного сигнала ОУ могут происходить со скоростью, не превышающей некоторого максимума. Этот эффект порождается схемой частотной компенсации ОУ, как будет видно при более детальном анализе. Одним из следствий конечности скорости нарастания является ограничение а.мплитуды выходного сигнала на высоких частотах, равное, как было показано в разд. 3.12, Vnn-S/f, где Unn - полный размах сигнала. Второе следствие лучше всего объяснить с помощью графика зависимости скорости нарастания от напряжения дифференциального входного сигнала (рис. 7.4). Смысл его в том, что схема, требующая большой скорости

Прецизион

>) При иастрогвном нуле сдвига. >) Ограничивается 1 О Гц из-за процессов переключения.

г-г-,---.- X --

нарастания, работает с существенными напряжениями между входными клеммами ОУ. Это может привести к катастрофическим последствиям в схеме, претендующей на высокую точность.

Чтобы понять, чем определяется скорость нарастания, заглянем внутрь операционного усилителя. Подавляющее большинство ОУ могут

+ Скорость

-60,

быть смоделированы схемой, изображенной на рис. 7.5. Дифференциальный входной каскад, нагруженный на токовое зеркало, возбуждает каскад с большим коэффициентом усиления по напряжению и с компенсирующим конденсатором между выходом и входом. Выходной каскад есть пушпульный повторитель с единичным коэффициентом усиления. Корректирующий конденсатор выбирается так, чтобы коэффициент усиления разомкнутой петли усилителя становился равным единице раньше, чем сдвиг фазы, вызванный остальными каскадами усилителя, станет

-Скорость

Рис. 7.4.

существенным. Таким образом, С выбирается таким, чтобы/р, полоса частот единичного коэффициента усиления, была близка к полюсу,

с которого начинается спад усиления следующего каскада, как описывалось в разд. 3.32. Входной каскад имеет очень высокое выходное сопротивление и для следующего каскада является источником тока.

В операционных усилителях возникает ограничение скорости нарастания, когда входной сигнал возбуждает один из транзисторов дифференциального каскада почти до насыщения, действуя на следующий каскад полным током эмиттера в дифференциальной паре. Это происходит при дифференциальном входном напряжении около 60 мВ, при которо.м отношение токов в дифференциальном каскаде равно 10 : 1. В этот момент напряжение коллектора изменяется с максимально возможной скоростью, а весь ток /э идет н^ заряд конденсатора С.

и С образуют, таким образо.м, интегратор с ограниченной скоростью нарастания на выходе. Выведем выражение для скорости нарастания.

Скорость нарастания: детальное рассмотрение. Прежде всего напишем выражение для коэффициента усиления разомкнутого контура по напряжению при малом сигнале переменного тока без учета сдвигов фаз:

Aa=gXc=g/2nfC,

откуда полоса единичного усиления (частота, при которой Ац=1) есть

f,=={\I2n){gjC).

Далее, скорость нарастания определяется током /э, заряжающим конденсатор С:

S = dU/di = h/C.

Для случая обычного дифференциального усилителя без эмиттерных резисторов g связано с /э соотношением

ёг ,= 1/гэ=/э/2(;г=/э/50 мВ.

Подставляя это выражение в формулу для скорости нарастания, находим

S2UrgjC,

т. е. скорость нарастания пропорциональна gJC, как и ширина полосы единичного усиления. В самом деле, 5=4л(/т/ср=0,3/ср, где /ср выражено в МГц, а S - в В/мкс. Это выражение не зависит от конкретных значений С, g, , /э и т. д. и дает хорошую оценку для скорости нарастания (ИМС 741 имеет скорость нарастания порядка 0,5 В/мкс при /ср 1,5 МГц). Отсюда ясно, что ОУ с большим значением произведения f ширины полосы пропускания на коэффициент усиления /србудет иметь большую скорость нарастания. Нельзя улучшить быстродействие ОУ только увеличением тока /э входного каскада, поскольку увеличение коэффициента усиления из-за роста g требует соответственного увеличения значения С для компенсации. Добавочное усиление в других каскадах ОУ также не помогает.

Из изложенного ясно, что увеличение /.р за счет увеличения токов коллекторов, применения более быстродействующих транзисторов ц

438 Гмва 7

Т. Д. увеличивает скорость нарастания. Конечно, всегда желательно иметь большое значение /р - факт, известный разработчику ИС, который и так уже сделал все, что мог в пределах полупроводникового кристалла-чипа. Тем не менее существует способ обойти ограничение 5=0,3 /(.р, основанный на том, что крутизна определяется значением 1э(ёт=1ит)- Можно использовать простой прием для увеличения /э (и соответственно скорости нарастания при фиксированном значении /ср, а в силу этого и при фиксированной форме частотной характеристики). Проще всего добавить некоторое эмиттерное сопротивление во входной дифференциальный каскад. Предположим, что мы сделали что-нибудь в этом роде, из-за чего /э вырос в т раз при постоянном значении g. Повторив приведенные выше выкладки, получим 5= =0,3 т/,р.

Упражнение 7.1. Покажите, что описанный прием дает указанный эффект.

Увеличение скорости нарастания. Существует несколько способов получения высокой скорости нарастания: а) применить ОУ с большим /ср; б) увеличить /р за счет использования компенсационных конденсаторов меньшей емкости; конечно, это возможно лишь в тех применениях, в которых коэффициент усиления при замкнутом контуре обратной связи больше единицы; в) уменьшить крутизну входного каскада g с помощью добавочных эмиттерных резисторов, а потом увеличить /э или уменьшить пропорционально С; г) изменить схему входного каскада.

Третий способ (уменьшение применяется во многих ОУ. Например, НА2607 и НА2507 почти одинаковы, но НА2507 содержит эмиттерные резисторы во входном каскаде. Эти резисторы увеличивают скорость нарастания ценой уменьшения коэффициента усиления разомкнутого контура. Это иллюстрируется приводимыми данными. ПТ ОУ, с их малым g входного каскада, имеют более высокую скорость нарастания по тем же причинам.

НА2607 НА2507

/ср 12 МГц 12 МГц

Скорость нарастания 7 В/мкс 30 В/мкс

Коэффициент усиления усилителя без 150 000 15 000 обратной СВЯ.ЗИ

Четвертый способ состоит в применении перекрестно-сдвоенного уменьшения крутизны , для которого требуется введение в схему входного каскада целого дополнительного набора транзисторов, болтающихся без дела при малых значениях сигнала, но всегда готовых, если нужно, дать дополнительный ток. Это дает выигрыш в виде улучшения их характеристик по шумам и смещению, достающийся ценой некоторого усложнения схемы по сравнению с простой добавкой эмиттерных резисторов. Этот прием применяется в изделиях фирм Harris НА2705, Raytheon 4531, Motorola 1741, Signetics 535 и 538 для увеличения скорости нарастания при больших дифференциальных

Дополнитель- , ный усилитель' тока

Рис. 7.6.

ВХОДНЫХ сигналах. Зависимость скорости нарастания от входного дифференциального сигнала показана на рис. 7.6.

Время установления. Скорость нарастания - это показатель того, насколько быстро может меняться напряжение выходного сигнала. Спецификация ОУ по скорости нарастания дается в предположении большого дифференциального входного напряжения (не меньше 60 мВ), что вполне оправдано: ОУ о напряжением на выходе, отличном от того, которое должно быть, будет испытывать на входе сильное воздействие сигнала из-за недостаточного влияния выхода по петле обратной связи, если допустить наличие разумной величины петлевого усиления. В высокоскоростных прецизионных схемах не менее важно

время, требующееся на установление выходного сигнала на том значении, к которому он стремится, следуя за изменением входного. Этот параметр - время установления (время, необходимое для установления выходного сигнала с заданной точностью на окончательное значение) - всегда указывается для устройств вроде цифро-аналоговых преобразователей, для которых прецизионность - это смысл жизни, а для ОУ обычно не указывается.

Время установления зависит от коэффициента усиления и типа частотной коррекции; в паспорте ОУ могут быть приведены данные для ряда различных форм воздействий. Здесь надо сделать несколько замечаний: а) время установления может быть очень малым, пренебрежимо малым по сравнению с ограниченным скоростью нарастания временем нарастания; б) быстрое установление с точностью до 1 % не обязательно гарантирует быстрое установление в пределах 0,1 %, может существовать длинный хвост , в) ОУ устанавливается тем быстрее, чем лучше применяемая схема частотной компенсации обеспечивает зависимость сдвига фазы от частоты в разомкнутой петле в виде прямой линии при логарифмическом масштабе. ОУ, имеющие колебания на фазово-частотной характеристике, более склонны к выбросам и пульсациям, вроде тех, что показаны на графике рис. 7.7, б. Заметим, что ограниченный по скорости нарастания выходной сигнал испытывает излом, когда дифференциальный входной сигнал падает ниже 60 мВ (рис. 7.7, а).

В табл. 7.2 приведен ряд быстродействующих ОУ, пригодных для применений, требующих большого значения /р. высокой скорости нарастания и малого времени установления.

Переходные нелинейные искажения и выходное сопротивление. Некоторые ОУ используют простой пушпульный выходной каскад без смещения баз на два диодных перепада в разные стороны, как

вх БО мВ

Угтановле-, ние до 0,1%

а

Время-

0,01%

Рис. 7.7.

описывалось в разд. 2.14. Это приводит к искажениям класса В при значениях выходного сигнала, близких к нулю, так как возбуждающий повторитель каскад должен дать напряжению баз приращение 2(/бэ каждый раз, когда выходной ток проходит через нуль (рис. 7.8). Пере-

Ограничено

скоростью ✓ гд нараста- -

а

Рис. 7.8.

ходные искажения могут быть существенны, в частности, в области высоких частот, где петлевое усиление падает. Оно также сильно падает в тех ОУ, которые смещают выходную пушпульную пару в состояние слабой проводимости (класс АВ). Примером является популярная схема 741, а тем более ее предшественник 709, в котором используется простое смещение выходного каскада класса В. Прекрасная во всем остальном, схема 24 может по этим причинам давать большие искаже-