(рис. 7.18). При получающихся колоссальных значениях входного полного сопротивления вопросы полного сопротивления источника нас уже не волнуют, по крайней мере на постоянном токе. На более высоких частотах снова надо иметь согласованное полное сопротивление источника для синфазных сигналов, поскольку входная емкость схемы в комбинации с сопротивлением источника образует делитель напряжения. Под высокими частотами часто имеется в виду просто частота напряжения сети, так как наводка синфазной помехи от сети питания схемы - это обычная не-

приятность; на такой частоте входная емкость в несколько пикофарад неважна.

7.09. Стандартный измерительный усилитель на трех ОУ

Одним из недостатков только что описанной схемы с повторителем на рис. 7.18 является то, что в ней требуется большое КОСС и в повторителях, и в выходном ОУ. Поскольку входные буферные усилители

2/?2

работают с единичным усилением, все подавление синфазных помех должно происходить в выходном усилителе, что требует, как было указано, прецизионного согласования резисторов. Схема на рис.7.19 в этом смысле значительно лучше. Она представляет-собой стандартную конфигурацию измерительного усилителя. Входной каскад - это удачное сочетание двух ОУ, обеспечивающее большой дифференциальный коэффициент усиления и единичный коэффициент усиления синфазных сигналов без какого-либо особо точного согласования резисторов. Его дифференциальный выход представляет собой сигнал с существенно уменьшенной (относительно) синфазной составляющей и используется для возбуждения схемы обычного дифференциального усилителя. Этот последний часто бывает включен с единичным коэффициентом усиления, и его задача - получение однополюсного выходного сигнала и подавление остаточного синфазного сигнала. В этой схеме

Подстройка сдвига

Рис. 7.19. Классический измерительный усилитель.

отпадает надобность в том, чтобы выходной ОУ имел большое КОСС, и не требуется прецизионного согласования резисторов в схеме Us. Настройка нуля сдвига для всей схемы может быть сделана, как показано, на одном из входных ОУ. Они (входные ОУ) должны, однако, иметь высокое КОСС, и выбирать их следует тщательно.

В виде гибридных ИМС измерительные усилители с описанной стандартной конфигурацией выпускаются несколькими фирмами.

Измер. о-

Рис. 7.20. Измерительный усилитель с выводами защиты, измерительным и опорного напряжения.

Все компоненты, кроме резистора Rf, встроены, а коэффициент усиления устанавливается единственным внешним резистором Ry. Примерами таких модулей являются микромощный LH0036, AD522 и прецизионный 3630. У всех этих усилителей коэффициент усиления имеет диапазон от 1 до 1000, КОСС - около 100 дБ и входное полное сопротивление более 100 МОм. Модуль LH0036 может работать от такого низкого напряжения питания, как ±1 В. Модуль 3630 имеет линейность коэффициента усиления около 0,002%, начальный сдвиг напряжения менее 25 мкВ и дрейф напряжения сдвига ие более 0,25 мкВ/°С. Предусмотрена и возможность внешней настройки нуля напряжения сдвига и КОСС. Не путайте эти модули с измерительным операционным усилителем 725, который представляет собой просто хороший ОУ, предназначенный для использования в схемах измерительных усилителей. На рис. 7.20 показана полная схема измерительного усилителя, как она обычно строится.

Несколько замечаний эб этой схеме измерительного усилителя: а) Усиленный синфазный сигнал с выхода U может быть использован как защитное напряжение для ослабления эффектов емкости

AD522.

кабеля и утечек. При таком включении защитный выход должен быть соединен с экраном входного кабеля. Если резистор установки коэффициента усиления не установлен непосредственно рядом с усилителем (существует отдельная панель регулировки - компоновка, которой следует избегать), то его {Ri) соединения также должны быть экранированы и защищены, б) Выводы ИЗМЕРЕНИЕ и ОПОРНЫЙ дают возможность-измерять выходное напряжение непосредственно на нагрузке, так что благодаря обратной связи можно исключить потери в соединительных проводах, ведущих к внешней схеме. К тому же ОПОРНЫЙ вывод дает возможность смещать выходной сигнал на постоянный уровень (или на величину другого сигнала), но полное сопротив-

Рис. 7.21. Схема включения ИМС измерительного усилителя.

1кОм Ho-I

1кОМ

Рис. 7.22, Измерительный усилитель со следящей связью по питанию для повышения КОСС.

ление между ОПОРНЫМ выводом и землей должно быть малым, иначе упадет КОСС. (в) Для обоих входных усилителей требуется путь для отвода входного тока смещения; нельзя, например, просто подсоеди-

нить к входу термопару. На рис. 7.21 показана простая схема включения ИМС измерительного усилителя с использованием выводов защиты входа, измерения и опорного.

Следящая связь по питанию. КОСС входных ОУ может оказаться лимитирующим фактором для подавления синфазных помех во всей схеме. Если нужны значения КОСС около 120 дБ, то можно применить прием, показанный на рис. 7.22. U измеряет уровень синфазного сигнала и управляет общей точкой маломощного плавающего расщепленного источника питания для t/j и Выход и2- Эта схема следящей связи эффективно гасит синфазный сигнал для t/i и U2, поскольку на их входах нет синфазных колебаний относительно их собственного питания. t/з и t/4 питаются от общего источника питания, как обычно. Эта схема может творить чудеса с КОСС, по крайней мере на постоянном токе. При возрастании частоты приходится иметь дело с обычными проблемами согласования полных сопротивлений и входных емкостей.

Конфигурация с двумя ОУ. На рис. 7.23 показана схема, которая обеспечивает большое входное полное сопротивление с помощью только двух ОУ. Поскольку подавление синфазного сигнала происходит здесь не в два этапа, как в схеме с тремя ОУ, для получения хорошего КОСС требуется прецизионное согласование резисторов, подобно тому как это было в стандартной схеме разностного усилителя.

Специализированные ИМС измерительных усилителей.

Существует несколько интересных конфигураций измерительных усилителей, выпускаемых в виде монолитных (и поэтому дорогих) ИМС; некоторые из них имеют очень хорошие рабочие параметры. В них используются другие методы, чем в рассматриваемых схемах. Дифференциальные усилители с преобразованием проводимости (в цепи обратной связи). В этих схемах, представителями которых являются LF352 и AD521, большое значение КОСС достигается без согласования внешних сопротивлений. И только коэффициент усиления устанавливается отношением пары навесных резисторов. На рис. 7.24 показана функциональная схема LF352. В ней используются две пары дифференциальных усилителей - преобразователей проводимости с навесными резисторами, устанавливающими в каждом случае коэффициент усиления. Один из усилителей управляется входным сигналом, а другой - выходным сигналом, отсчитываемым относительно входа опорного напряжения. Схема содержит ОУ, выходное напряжение которого обеспечивает согласование токов. В LF352 используются ПТ

Рис. 7.23.

для поддержания низкого уровня входных токов,а в AD521 используются биполярные транзисторы для достижения малого напряжения смещения и малого дрейфа (табл. 7.4).

Усилители с периодической компенсацией дрейфа. Недавно разработанные схемы усилителей с периодической компенсацией дрейфа* (или установкой нуля) могут сильно повлиять на принципы

О

Вход --

Ф

Ф

Опорн i ф Q

Измер

Выход

Рис. 7.24. Функциональная схема интегральной схемы измерительного усилителя LF352.

построения прецизионных ОУ и измерительных усилителей. Техника ПКД позволяет создавать МОП-транзисторные ОУ со сдвигом в несколько микровольт и дрейфом менее 0,1 мкВ/°С. Это на два или три порядка лучше, чем у обычных МОП ПТ ОУ, Основная идея состоит в размещении двух МОП-транзисторных ОУ и набора МОП-транзисторных ключей на одном кристалле (чипе); пока у одного из усилителей настраивается нуль - входное напряжение сдвига при этом запоминается на конденсаторе, второй работает как обычный ОУ для входного сигнала, имея зафиксированное ранее напряжение сдвига включенным последовательно с входным сигналом. Операционные усилители периодически меняются ролями коммутацией МОП-транзисторных ключей, поэтому их дрейф и сдвиг эффективно компенсируются. Не путайте эти усилители со стабилизированными прерыванием усилителями (М-ДМ), которые преобразуют сигнал в переменный ток, усиливают его, а затем преобразуют обратно в постоянный (модуляция - демодуляция). В аппаратуре ПКД сигнал всегда проходит через опера-

Ч Принцип периодической компенсации дрейфа (ПКД) известен достаточно дав-но. Проблема была в создании полупроводниковой ИМС, содержащей все необходимые элементы.- Прим. ред.

Таблица 7.4

Измерительные усилители

) Шум и погрешности могут быть разделены на составляющие, обустовлеиные как входом, так и выходом Полный шум (или погрешность), таким образом, дается выражением Вх +Вых /К Фортранная запись а£д:==а10* ) Диапазон коэффициента усиления 100-2000. *) ДО 0,01% >) Тнп ПКД (СМ разя 7 09) ) Среднее значение

ционный усилитель с обычной для такового частотной характеристикой.

Фирма Intersil начала выпуск ПКД-усилителей с ОУ ICL7600, в котором используется частота переключения (коммутации) 160 Гц. У него начальный сдвиг равен 5 мкВ, а дрейф меньше 0,1 мкВ/°С и 0,2 мкВ/год. Соответствующий ему измерительный усилитель ICL7605

использует базовый ПКД ОУ совместно с коммутацией плаваю-g- щего конденсатора (рис. 7.25). МОП-транзисторные ключи дают возможность запомнить дифференциальный входной сигнал на конденсаторе, а затем усилить его с помощью неинвертирующего усилителя, построенного на принципе ПКД. Усилитель 7605 имеет диапазон синфазного вход-превосходящий на 0,3 В обе границы напряже-

Рис. 7.25,

ного напряжения ния питания.

Некоторые минимальные модификации схемы необходимы, если мы хотим встроить ПКД-усилитель в существующую схему на ОУ, поскольку существуют переходные процессы в ключах и другие побочные влияния на входной сигнал. Кроме того, есть ситуации, в которых ПКД-усилители совершенно непригодны, например в системах с быстродействующими многоканальными АЦП.

ШУМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ

Почти в любой области измерений значение предельно различимого слабого сигнала определяется шумом - мешающим сигналом, который забивает полезный сигнал. Если даже измеряемая величина и не мала, наличие шума снижает точность измерения. Некоторые виды шума неустранимы принципиально (например, флуктуации измеряемой величины), и с ними можно бороться только методами усреднения сигнала и сужения полосы, которые мы обсудим в гл. 14. Другие виды шума (например, помехи на радиочастоте и петли заземления ) могут быть уменьшены или исключены с помощью разных приемов, включая фильтрацию, а также тщательное продумывание расположения проводов и элементов схемы. И наконец, существует шум, который возникает в процессе усиления, и его можно уменьшить применением малошу-мящих усилителей. Хотя техника осреднения сигнала применяется часто для извлечения сигнала, маскируемого шумом, имеет смысл для начала убедиться, что система свободна от всех устранимых помех и обладает наименьшим, практически возможным шумом усилителя. Мы начнем с разговора об источниках происхождения и характеристиках различных видов шумов, от которых страдают электронные схемы. Потом мы займемся обсуждением шумов транзисторов и ПТ, включая

Тепловой,- Прим, ред.

методы проектирования малошумящих схем при заданном источнике сигнала. Здесь мы приведем несколько конструктивных примеров. После небольшого обсуждения шумов дифференциального усилителя м усилителя с обратной связью мы посвятим заключительный раздел обсуждению надлежащего заземления и экранирования, а также исключению помех и наводок.

7.10. Происхождение и виды шумов

Поскольку термин шум применяется ко всему тому, что маскирует полезный сигнал, шумом может оказаться какой-нибудь другой сигнал ( помеха ); но чаще всего этот термин означает случайный шум физической (чаще всего тепловой) природы. Шум характеризуется своим частотным спектром, распределением амплитуд и источником (происхождением). Сейчас мы назовем основных возмутителей спокойствия .

Джонсоновский * шум. Любой резистор на плате генерирует на своих концах некоторый шум напряжения, известный как шум Джонсона . У него горизонтальный частотный спектр, что означает одинаковую мощность шума на всех частотах (разумеется, до некоторого предела). Шум с горизонтальным спектром называется белым шумом . Реальное напряжение шума в незамкнутой цепи, порожденное сопротивлением, находящимся при температуре Т, дается формулой

где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура в Кельвинах (К=°С+273,16), а В - полоса частот в Гц. Таким образом, ш. зфф - это ТО, что получится на выходе совершенно бесшумного полосового фильтра с полосой пропускания шириной В, если подать на его вход напряжение, порожденное резистором при температуре Т, При комнатной температуре (68°F=20°C=293K)

4/гТ=!,62-10-2<В^ГцОм, (4fer/?)/== 1,27- 10-1 /?/.В/Гц/.= = 1,27-10- /?/. мкВ/Гц/..

Например, резистор на 10 кОм при комнатной температуре имеет среднеквадратичное напряжение шума в разомкнутой цепи порядка 1,3 мкВ, измеренное в полосе 10 кГц (измерять можно, например, подсоединив резистор к усилителю с высокой разрешающей способностью и наблюдая напряжение на выходе усилителя вольтметром). Сопротивление источника этого напряжения равно просто /?. На рис. 7.26 показана простая зависимость плотности напряжения шума Джонсона (среднеквадратичное напряжение на корень квадратный из ширины полосы) от сопротивления источника.

Рис. 7.26. Зависимость напряжения теплового шума от сопротивления. (National Semiconductor Corp.)

Амплитуда напряжения шума Джонсона, вообще говоря, в данный конкретный момент непредсказуема, но она подчиняется закону распределения Гаусса (рис. 7.27), где P(U)dU -это вероятность того, что мгновенное значение напряжения заключено между U и

U+dU, а (/щ есть определенное выше среднеквадратичное эффективное напряжение шума.

Значение шума Джонсона состоит в том, что он устанавливает нижнюю границу напряжения шумов любого детектора, источника сигнала или усилителя, имеющего выходное сопротивление. Активная часть полного сопротивления источника порождает шум Джонсона, смещает и нагружает 10 10* 10* 10 Vfi резисторы усилителя. Скоро мы уви-Сопротивление,Ом Дим, как действует этот эффект.

Интересно отметить, что любой физический аналог сопротивления (любой механизм потерь энергии в физической системе, например вязкое трение малых частиц жидкости) имеет связанные с ним флуктуации соответствующей физической величины (в приведенном примере - это флуктуации скоростей частиц, проявляющиеся как хаотическое броуновское движение). Шум Джонсона - это просто специальный случай такого флуктуационно-диссипативного явления.

Шум Джонсона не следует путать с дополнительным шумовым напряжением, возникающим из-за эффекта флуктуации сопротивления, когда приложенный извне ток проходит через резистор. Этот избыточный шум имеет спектр приблизительно 1 , и он сильно зависит от конкретной конструкции ре- P c. 7.27.

зистора. Мы об этом поговорим pu, u+dU)=0/U,ny2K)e dU,

позже. где есть эффективный шум Площадь за-

штрихованной области равна вероятности на-

Дробовой шум. Электриче- IZiTV Гу+Т^ Р *

ский ток представляет собой движение дискретных зарядов, а не плавное непрерывное течение. Конечность заряда приводит к статистическим флуктуациям тока, определяемым формулой

/ш.зФФ=/ш = (2<?/п,тS)/

где q - заряд электрона 1,60 10~ Кл, а В - ширина полосы частот измерения. Например, установившийся ток в 1 А фактически имеет

U+AU