Таблица 7.2

) Инвертирующий усилитель. 2) Прн Ку=5. ) При Ку = 3. <) Популярный, выпускается также в виде 1322, 3507J, AD509J. ) Популярны*, выпускается также в виде 1321, 3508J. AD507J. ) При Ку=10. ) До 0,5%. ) Ошибка в данных изготовителя. ) При Кц=2.

ния. Правильный выбор ОУ имеет колоссальное значение для характеристик Ы - fi усилителей звуковых частот. Может быть, эти искажения дают существенный вклад в то, что радиолюбители называют шумом транзисторов . Выходное сопротивление разомкнутого ОУ будет наивысшим при значениях напряжения выходного сигнала, близких к нулю, поскольку выходные транзисторы работают при этом с наименьшими значениями тока. Выходное полное сопротивле-

ЮООг 900

g 700 600

500 I Р 400 Р I, 300h

Si 200 i=l о

OP-01

---1

3145

102 . I03 Часшоша, кГи,

1 10 10 -10* 10* Часп]оша,кГц

Рис. 7.9.

a - зависимость полного выходного сопрогнвления некоторых популярных ОУ в разомкнутом состоянии от частоты; б - выходное полное сопротивление ОУ 308 и 355 при замкнутой петле обратной связи. (На рис. а по оси ординат должно быть выходное.- Прим. ред.)

ние также растет на высоких частотах по мере падения коэффициента усиления транзисторов * и может слегка расти и на очень низких частотах благодаря температурной обратной связи на чипе. Легко отмахнуться от эффекта конечности выходного полного сопротивления разомкнутого усилителя, считая, что обратная связь все спишет. Но если учесть, что некоторые ОУ имеют выходное сопротивление в разомкнутом состоянии порядка сотен ом, то ясно, что этим пренебрегать нельзя, особенно при малых и средних коэффициентах петлевого усиления. На рис. 7.9 показаны типичные графики выходных полных сопротивлений ОУ с обратной связью и без нее.

Работа на емкостные нагрузка. Конечное значение выходного сопротивления разомкнутого ОУ может быть причиной серьезных затруднений при попытке работы на емкостную нагрузку. Это связано с дополнительным запаздыванием сигнала или сдвигом фазы, вызванным комбинацией выходного сопротивления и емкостной нагрузки, подключенной на землю. Такая ситуация может привести к неустойчивости схемы с обратной связью, если значению - 3 дБ указанной цепи отвечает достаточно низкая частота, так как появляется сущест-

1> в основном из-за частотной коррекции, которая предупреждает сниженнг усиления траязисторов,- Прим. ред.

венная добавка к сдвигу фазы в 90°, и без того имеющемуся из-за частотной компенсации. Для примера допустим, что нагрузкой для ОУ с выходным сопротивлением 200 0.м служит тридцатиметровый коаксиальный кабель. Эта нагрузка эквивалентна конденсатору емкостью 3000 пФ и образует ?C-фильтp нижних частот с точкой, отвечающей значению -3 дБ, на частоте 270 кГц. Это намного меньше частоты единичного коэффициента усиления для типичного ОУ, поэтому автоколебания будут весьма вероятны при высоком коэффициенте петлевого усиления (например, у повторителя).

Скорость 0,0 Ь В/мкс при нагрузке 0,о мкФ

Рис. 7.10.

Существуют два способа решения этих вопросов. Один из них состоит в добавлении последовательно выходу резистора и введении

Широкополосные бу

обратной связи на высоких частотах непосредственно с выхода ОУ, а на низких частотах и постоянном токе - от точки присоединения кабеля (рис. 7.10). Конкретные значения параметров, указанные на второй схеме, специфичны для данного ОУ и схемы его включения и дают представление о том, какая емкость может служить нагрузкой. Но такой прием ухудшает высокочастотные характеристики, так как обратная связь на высоких частотах не влияет на сигнал на кабеле.

Буферные усилители мои^ности с единичным коэффициентом усиления. Если метод расщепления цепи обратной связи неприемлем, то лучшее, что можно сделать,- это добавить буферный каскад сильного тока с единичным коэффициентом усиления внутрь петли

ZbhxIOm 1438,3553 или иНООБЗ

Рис. 7.11.

(рис. 7.11). Указанные на схеме устройства имеют коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице, малое выходное сопротивление и могут дать выходной ток до 250 мА. Они не дают сколько-нибудь значительного сдвига фазы вплоть до частоты единичного коэффициента усиления /ср большинства ОУ, и их можно включать в контур обратной связи без дополнительной частотной компенсации. В табл. 7.3 приведен краткий список буферных усилителей. Конечно же, эти мощные бустеры могут быть использованы для работы с

ферные усилители

Таблица 7.3

Большой сигнал

Скорость нарастания, в/мкс

Максимальный выходной ток, ±мА

Размах выходного сигнала

вых. макс ±В

Примечания

75 200 2000 2000 1400 1000 ,4000

600 300 100 100 200 100 500 250

10 12 10 10 10 10 10 10

50 300 50 100 50 50 20 50

Классический, монолитный Корпус миии-DIP

Изолированный металлический кожух Чертовски быстрый буфер

нагрузками, требующими больших токов, независимо от того, есть проблемы с емкостной нагрузкой или нет. Заметим также, что приведенный пример выглядел бы иначе, если бы кабель был включен на свое характеристическое сопротивление. В этом случае он действовал бы как чисто активное сопротивление в пределах от 50 до 100 Ом в зависимости от типа кабеля. В этом случае буферный усилитель был бы обязателен и должен был бы быть способен давать ток ±200 мА для создания сигнала ±10 В на нагрузке с полным сопротивлением 50 Ом. Более детально этот вопрос обсуждается в разд. 13.09.

На схему из предыдущего примера не влияют выходные параметры ОУ, поскольку она работает, в сущности, на постоянном токе.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ И ПРИБОРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Термином измерительный усилитель обозначается дифференциальный усилитель со связями по постоянному току, высоким коэффициентом усиления, высоким входным полным сопротивлением и большим КОСС. Такие усилители используются для усиления малых дифференциальных сигналов, приходящих от датчиков, к которым могут быть примешаны большие синфазные сигналы или постоянные уровни.

Примером таких датчиков является тензодатчик - резисторный мост, у которого деформация (удлинение материала, к которому он прикреплен) вызывает изменение сопротивления (см. разд. 14.04). В результате изменяется выходное дифференциальное напряжение моста, возбуждаемого фиксированным постоянным смещением -flOB

+10 В

Дифф. усилитель

Рис. 7.12.

(рис. 7.12). у всех резисторов примерно одно и то же сопротивление, но они подвергаются различной деформации. Чувствительность по всей шкале обычно равна 3 мВ на 1 В, поэтому диапазон изменения выходного сигнала будет равен 30 мВ при постоянном возбуждении 10 В. Это небольшое дифференциальное выходное напряжение, пропорциональное деформации, наложено на постоянный уровень 5 В.

Дифференциальный усилитель должен обладать исключительно большим КОСС для усиления милливольтового дифференциального сигнала при одновременном подавлении синфазной помехи б В. Предположим, например, что мы хотим иметь максимальную ошибку 1%. Так как 1 % от полной шкалы есть 0,3 мВ, наложенные на 5000 мВ, КОСС должен превосходить 15 ООО i 1, т. е. 90 дБ.

Способы, применяемые для создания хороших измерительных усилителей и вообще дифференциальных усилителей с высоким коэффициентом усиления, подобны только что обсуждавшейся схемотехнике. Существенными являются погрешности тока смещения, сдвига и КОСС.

Начнем с обсуждения простых дифференциальных усилителей для некритичных применений, чтобы оценить требования к ним и схемные пути их удовлетворения.

7.08. Простой разностный усилитель

На рис. 7.13 показана типичная ситуация, в которой достаточно умеренное значение подавления синфазного сигнала. Эта токочувст-вительная схема применяется как часть источника питания постоянного тока для создания неизменного тока в нагрузке. Падение напря-

Управ-ление

Источник питания

регулятор

о

гагрузка

Четы-рехпро-водное 0,01 Ом

1,00 кОм 0,01%

1,0 ком

100 KOirf

г/о

100 кОм'

Рис, 7.13, Стабилизатор тока.

жения на четырехпроводном прецизионном мощном резисторе 0,01 Ом пропорционально току нагрузки. Хотя один конец резистора ?5 присоединен к земле, глупо было бы применять одновходовый усилитель, поскольку миллиомное сопротивление соединения даст ошибку в 10%! Очевидно, что нужен дифференциальный усилитель, но от него не требуется особенно высокий КОСС, так как синфазные помехи будут малы.

ОУ включен в обычную конфигурацию разностного усилителя, как было описано в разд. 3.09. Резисторы Ru R и R являются прецизионными проволочными резисторами - для максимальной стабильности коэффициента усиления, а и R, определяющие КОСС, могут быть просто однопроцентными пленочными резисторами. Таким образом, вся схема имеет точность коэффициента усиления, близкую к точности токочувствительного резистора, и КОСС порядка 40 дБ.

Прецизионный дифференциальный усилитель. Для таких применений, как усиление сигналов тензодатчиков, термопар и т. п., КОСС, равного 40 дБ, совершенно недостаточно, а нужны значения вро-

Rz 250 ком

247к0м 0,01% (ZSOkOmIIZOMOm)

ГТодспфои-t ® ка даига,

Rs 3,74 кОм

Г/о

т

20 МОм

Rs 12,7 кОм 1%

де 100 или 120 дБ. В предыдущем примере с тензодатчиком у нас мог быть дифференциальный сигнал небаланса порядка 2 мВ на 1 В. Если требуется точность 0,05%, то нужно подавление синфазного сигнала, как минимум, ПО дБ. (Заметьте, что это требование может быть значительно смягчено в том случае, когда нуль усилителя равен синфазному

напряжению, как это может быть сделано в лабораторных условиях). Напрашивающееся решение для улучшения КОСС - это увеличение точности резисторов разностной схемы (рис. 7.14). Значения резисторов выбираются так, чтобы сопротивления больших резисторов обратной связи лежали в диапазоне номиналов доступных прецизионных проволочных резисторов. При использовании резисторов с допуском 0,01 % КОСС будет около 80 дБ (68 дБ в худшем случае), если ОУ имеет большое КОСС. Для получения нулевой чувствительности к синфазным помехам нужен, как показано, только один подстроечный потенциометр. При указанных параметрах можно подстройкой свести суммарную ошибку к величине 0,05% (чуть больше максимальной ошибки резистора). Причудливая цепь, показанная ка рисунке, применена потому, что подстроечные потенциометры с малым значением сопротивления со временем могут терять настройку, и лучше обойтись без них.

Замечание о подавлении синфазной помехи переменного тока. Использование хорошего ОУ и тщательная подстройка дают воз.можность достичь КОСС в 100 дБ и более на постоянном токе. Но проволочные резисторы, которые нужны для стабильности, имеют некоторую индуктивность, из-за которой КОСС ухудшается с частотой. Этот эффект, общий для всех схем, которые мы будем рассматривать, может быть уменьшен применением безыпдуктивпых проволочных резисторов (типа Aryton-Perry) 1. Заметим также, что для получения хорошего КОСС на высоких частотах необходимо сбалансировать емкости схемы. Это может потребовать строгого зеркально-симметричного расположения элементов.

Высоковольтный дифференциальный усилитель. На рис. 7.15 показан разумный способ расширения диапазона синфазного напряжения входа дифференциального усилителя за границы напряжения питания без соответствующего уменьшения дифференциального коэф-

i> Резисторы со встречно-бифилярной намоткой,- Прим, ред.

1 П

5 П Подстройка kOmY] КОСС

Рис. 7.14.

фицпента усиления. воспринимает входной синфазный сигнал, имеющийся на входе, и с инверсией возвращает его через и Так кай тем самым синфазный сигнал на входах Ui и Ui полностью подавля-

-110 В

Рис. 7.15. Дифференциальный усилитель с большим допустимым синфазным напряжением, построенный на низковольтных ОУ.

ется, то КОСС ОУ является несущественным. Окончательное значение КОСС этой схемы определяется точностью согласования отношений резисторов /?1 ?5=/?з ?б без особых требований к точности R-, и R. Схема имеет диапазон синфазного входного напряжения ±200 В, КОСС=80 , дБ и дифференциальный коэффициент усиления 1,0.

Увеличение входного сопротивления. Разностная схема с тщательно подстроенными значениями резисторов, казалось бы, должна дать нужные рабочие параметры, но это впечатление проходит, если посмотреть на ограничения, накладываемые на сопротивления источников. Для получения точности коэффициента усиления 0,1% с помощью схемы рис. 7.14 сопротивление источника должно быть меньше 0,25 Ом! Более того, для синфазных сигналов внутреннее полное сопротивление источника на двух его выводах должно быть согласовано с точностью до 0,0025 О.м для получения 100 дБ КОСС. Это следует из рассмотрения эквивалентной схемы (рис. 7.16). Треугольниками обозначены целиком разностные усилители или вообще любые дифференциальные или измерительные усилители, а Rui и /?И2 - эквивалентные сопротивления источника на каждом выводе. Вся схема усилителя для синфазных сигналов включает в себя два полных сопротивления источника последовательно со входными резисторами R и R (рис. 7.14 и 7.15), поэтому КОСС зависит от согласованности Rm+

Тлта 7.

с /?иа+/?з. Конечно же, требования, которые предъявляются этой схемой к полному сопротивлению источника, как показано выше, оказываются слишком жесткими. Некоторого улучшения можно добиться за счет увеличения значений резисторов, применяя Т-образную

Сир-/ нал V

\ / ломеха

Рис. 7.1Р.

ДИфЧЬч,

цепь для резисторов обратной связи, как на рис. 7.17. Этот вариант Т-образной цепи для дифференциального усилителя обсуждался в разд. 7.06 и 3.18. При обозначенных на рис. 7.17 значениях параметров усиление дифференциального напряжения будет около 1000 (60 дБ). Для точности коэффициента усиления 0,1% полное сопротивление

Выход о

источника должно быть меньше 25 Ом и согласовано (на выводах источника) до 0,25 Ом для получения КОСС 100 дБ. Это по-прежнему неприемлемые требования к источникамдля большинства применений. Например, тензодатчик имеет внутреннее полное сопротивление около 350 Ом1.

Радикальное решение этой проблемы заключается в использовании повторителя или неинвертирующего усилителя для получения высокого входного полного сопротивления. Наиболее простой способ - добавить повторители к обычно.му дифференциально.му усилителю

1 Несогласованность выходных сопротивлений датчиков на их выводах возникает из-за утечек на постоянном и переменном токе. Последние обусловлены емкостными и индуктивными связями проводов и корпуса датчика С окружающими предметами и играют особо важную роль.- Прим. ред.