Выражение для фактичеекого коэффициента уеиления уеилителя е обратной евязью может быть иепользовано для определения минимального значения А, необходимого для получения коэффициента уеиления уеилителя с обратной евязью е заданной ошибкой, как это показано в примере 2.4.

Пример 2.4. Инвертор должен быть использован как усилитель с Яо. d = , 100+1 %, R\ = 10 КОм и с = 1 МОм. Рассчитать минимальное значение А усилителя, необходимое для получения заданной .ошибки.

Ro. cKRi + Ro. с) = 1 МОм/1,01 МОм = 0,99

I /Со. с I (мин.) = 100-1 % = 99; 1/Р = 1/100 = 0,01.

Воспользуемся полученным выше уравнением для Ко. с, подставив Ко. с = = /Со. с(мнн.), и разрешим его относительно А.

эфф AR.cl(Rl + Ro.c)

Ко. с - -

1+А

(2.9)

сг + Ro.

Подставляя полученные выше величины в уравнение (2.9), получим: -99 = =-Л-0,99/(1 + Л 0,99-0,01). Решая относительно Л, получим

- 99 (1 + Л 0,99 0,01) = -Л 0,99,

- 99 - 0,98Л = - 0,99Л: Л = 99/0,01 = 9900.

Следовательно, для получения желаемой точности, необходимо взять усилитель с минимальным значением коэффициента усиления без обратной связи, равным 9900. Практически надо стараться брать операционные усилители с возможно большим Л. Разброс параметров сопротивлений и другие источники ошибок, которые будут обсуждаться в гл. 3, гораздо труднее устранить, и поэтому следует минимизировать этот источник погрешности.

Процедура отыскания Л (мин.) по заданной ошибке Ко. с, как мы видели, аналогична и в случае неинвертирующего усилителя, за исключением того, что там используется Л вместо Л [Ro. с/ ![Rt + Ro.c)] или Лзфф.

2.6. ВНЕШНЯЯ КОМПЕНСАЦИЯ СДВИГА

Некоторые гибридные уеили-тели и уеилители, выполненные на дискретных компонентах, имеют встроенные регулировочные элементы для устранения сдвига. В усилителях, которые не имеют внутренних средств для

установки нуля С/сдв, приходится добавлять внешнюю резистор-кую цепь для компенсации напряжения сдвига. Операционные усилители TL802 фирмы Texas Instrument и многие модули гибридных операционных усилителей являются примерами усилителей, которые требуют подобной компенсации.

Рис. 2.8. Образование напряжения сдвига выхода, вызванного током смещения, в инвертирующем усилителе.

Прежде чем обсуждать проблему устранения напряжения сдвига на выходе, необходимо выяснить влияние входного тока смещения /см на напряжение сдвига на выходе. Хотя /см и невелик, но он все же существует, и, обратившись к рис. 2.8, можно видеть, что даже если С/сдв (возникающее, например, вследствие небаланса [/бэ) равно нулю, /см, протекая через параллельное

/?1 /?о.с

cm

Рис. 2.9. Компенсация сдвига выхода, вызываемого током смещения.

Рис. 2.10. Схема внешней установки нуля инвертирующего усилителя.

соединение сопротивлений R\ и Ro.c, вызовет появление на

выходе напряжения С/сдв. вых (/см), равного /см (/?1 II /?о. с).

Поскольку ток смещения неинвертирующего входа (/смг) (рис. 2.9) приблизительно равен току смещения, протекающему через инвертирующий вход (/cmi), то, подключив в цепь неинвертирующего входа сопротивление Rk, равное R\ Ro. с, получим напряжение, возникающее на /?к, приблизительно равное напряжению смещения по инвертирующему входу от /cMi(/?i II/?о.с). Для компенсации С/сдв, вызванного небалансом. С/бэ. следует установить делитель напряжения, с помощью которого можно было бы компенсировать даже С/сдв. макс, не изменяя коэффициент передачи цепи обратной связи. Обычно пытаются компенсировать напряжение сдвига от всех источников сразу Схема установки нуля напряжения сдвига (потенциометр /?п) показана на рис. 2.10. Заметим, что /?л + /?2 = /?к - это условие компенсации напряжения сдвига выхода, вызванного токами смещения. Сопротивление Ri выбирается так, чтобы параллельное соединение Ra и R было примерно равно Ra; это означает, что Ra выбирается малым, а R-большим. Диапазон регулировки напряжения сдвига приблизительно ра-

> Это можно делать, если в процессе работы параметры цепи обратной связи не меняются. - Прим. ред.

вен ±URA/Ri, так как R : Ra. Потенциометр R должен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы не нагружать источник питания, но вместе с тем ток через потенциометр должен быть по крайней мере в 20-40 раз больше /см. Аналогично ток через Ri должен быть больше /см, так как Ra и R образуют . делитель напряжения.

Пример 2.5. Предположим, что на рис. 2.10 Ri = 20 кОм и Ro.c = 200 кОм. Следует установить Rr. - 18,2 кОм. Если С/ = ±15 В, /см = 0,8 мкА и

Рис. 2.11. Схема внешней установки нуля неинвертирующего усилителя.

1сяв. макс = 20 мВ, выберем Ri ±С 20/см = 15 В/16 мкА = 800 кОм. На практике можно взять величину R, меньшую, чем расчетная (если это допустимо), чтобы получить возможно меньшее значение Ra, поэтому выберем = 400 кОм. После этого определим /?л. Лл/Л4 = С/сдв макс/С/1, откуда А = (С/сдв.макс/С/1) 4. Л/, = 400 кОм.(20 мВ/15 В) = 540 Ом. Теперь получим Rs = R - Ra= 18,2 кОм - 540 Ом = 17,66 кОм ).

Компенсация СУсдв в неинвертирующем усилителе делается аналогично; однако делитель напряжения устанавливается в цепи обратной связи, так что очень важно, чтобы R было много больше Ra (рис. 2.11). Заметим, что R\ - Ra+Rb и эта сумма используется в выражении для определения коэффициента усиления усилителя с обратной связью. Сопротивления Rn и Ri выбираются точно так же, как и для инвертирующего усилителя.

В' дифференциальном усилителе цепь установки нуля троится аналогичным образом, но делитель напряжения состав-

) Разумеется, надо взять R2 - \Ъ кОм. - Прим. ред.

ляет часть R , как показано на рис. 2.12. В этой цепи Ro.c~ R-b сумма должна подставляться в выражение для выходного напряжения. Заметим, что Ri должно быть много больше сопротивлений R2 + Rb и Ra. При этом компоненты выбираются так же, как и в рассмотренных выше случаях. Резистр компенсации /?к не вводится специально в этой

Рис. 2.12. Схема внешней установки нуля дифференциального усилителя.

схеме, поскольку обычно {RilK. с) {Щ^-о. из соображений масштабирования, и сдвиг, вызванный током смещения, оказывается скомпенсированным.

1. Введение отрицательной обратной связи приводит к уменьшению коэффициента усиления усилителя по сравнению со значением коэффициента усиле-Т1ИЯ без обратной связи до величины, определяемой обратной связью. Основное выражение для определения коэффициента усиления усилителя с обратной связью

Ко.с = Л1(\-\-А^), (2 1>

где А - коэффициент усиления разомкнутого усилителя, р - коэффициент передачи цепи обратной связи.

2. Отрицательная обратная связь приводит к возрастанию входного сопротивления. Входное сопротивление усилителя с обратной связью /Чвх. о. с можно определить из выражения

Лвх.о.с = /?вх(1 + т (2.4>

где Лвх - входное сопротивление без обратной связи.

3. Отрицательная обратная связь приводит к уменьшению эффективного выходного сопротивления усилителя. Выходное сопротивление усилителя с обратной СВЯЗЬЮ /чвых- о. с рЙВНО^

/?вь,х. о. с = /?вых/( 1 + т. (2.3)

где RitAx - выходное сопротивление усилителя без обратной связи.

4 Поскольку коэффициент усиления усилителя без обратной связи конечен, фактическое значение Ко. с всегда оказывается меньше, чем его идеальное значение Ко. с = 1/Р. Используя полные выражения для коэффициентов усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей Ко. с, можно определить, какая ошибка возникает вследствие того, что А меньше бесконечности. Еще важнее, что можно рассчитать минимальное значение коэффициента усиления усилителя без обратной связи, которое необходимо для получения погрешности, меньшей заданной.

Основные выражения для Ко. с:

а) Для инвертора

Ко.с=.- 4.фф/(1 + ЛзффР), (27)

Р = Л./Ло.с, Лзфф = Л [/?о. c/( l + Ло. с)]. (2.8)

б) Для неинвертирующего усилителя

Ко.с = А/{1+Ар),

где - Ri/(Ro.c + Rl), Л - коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

5. Для точного усиления постоянного напряжения должны быть сведены к нулю смещения выхода из-за входного напряжения сдвига и тока сдвига.

Для установки нуля выхода ко входу усилителя прикладывается компенсирующее напряжение, которое и устраняет сдвиг выхода. Для этого применяются различные схемы делителей напряжения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

2.1. Неинвертирующий усилитель с Ri - 20 кОм и Ro. с = 2 МОм имеет следующие параметры: Л = 20 ООО, Rbx = 200 кОм, Rbix = 1 кОм. Рассчитать

р. Ко. с- Rbx. о. с, RehiX о. с-

2.2. Инвертирующий усилитель с /?; = 10 кОм и i?o. с = 1 МОм имеет следующие параметры: Л = 30 ООО, Лвх = 300 кОм, ;?еых = 500 Ом. Рассчитать

Р, Ко. с, R вх. о. с, Rbux. о. с-

2.3. Указать, что произойдет с Ко. с Rbx. о. с и Rb <x. о. с при увеличении петлевого коэффициента усиления.

2.4. Указать причины появления сдвига выходного напряжения под действием /см.

2.5. Объяснить принцип работы схемы внешней компенсации сдвига.

2.6. Усилитель, изображенный на рис. 2.10, имеет напряжение питания ±15 В, Ссдв. макс = 10 мВ, R[ = 10 кОм и Ло. с = 100 кОм. Рассчнтать R2 и Ra, если R4 = 200 кОм.

2.7. Усилитель, изображенный на рис. 2.11, имеет напряжение питания ±15 В, Ссдв. макс= 7 мВ. R, = 10 кОм и /?о. с = 200 кОм. Пусть Rt = 200 кОм. Рассчитать /?к, Ra и -Rb.

2.8. Указать, как выбирается R4.

2.9. Указать условие, благодаря которому коэффициент усиления идеального усилителя с замкнутой обратной связью полностью определяется цепью обратной связи.

2.10. Рассчитать коэффициент усиления усилителя без обратной связи, необходимый для того, чтобы неинвертирующий усилитель имел Ко. с = 50 ± ±0,1 о/о.

Если вы не можете ответить на некоторые из этих вопросов, отметьте их и еще раз просмотрите соответствующие разделы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Цели работы. После выпалнения этой лабораторной работы студент должен уметь построить внешнюю цепь компенсации напряжения сдвига, измерять коэффициент усиления усилителя без обратной связи и сравнить фактй Ческий и идеальный коэффициенты усиления усилителя с обратной связью.

БОкОм [4, = 100l/j 50 кОм

вых

Рис. 2.13 Схема измерения коэффициента усиления усилителя без обратной связи.

Рис. 2.14. Схема настройки нуля инвертврующег усилителя.

Оборудование. 1. Операционный усилитель р,А741 или его аналог и его паспорт. 2. Набор сопротивлений с допуском 2 %. 3. Источник питания +15 В /постоянного тока) 4. Вольтметр или осциллограф, способный измерять постоянные и переменные напряжения 5 мВ. 5. Генератор сигналов. 6. Потенциометр сопротивлением от 10 до 50 кОм. 7. Макетная панель, например EL Instruments SK-10, смонтированная на шасси.

Порядок выполнення работы. 1. (а) Собрать схему, приведенную на рис. 2.13, для измерения ко.эффиниента усиления усилителя без обратной

Рис. 2.15. Схема настройки нуля неинвертирующего усилителя. 200 ком. /?л + /?в - 10 кОм. д= , v 1),

я 20->-50 кОм.

связи. (Увх должно быть сигналом переменного тока с частотой не выше 10 Гц и большой амплитудой (удвоенная амплитуда - около 15 В). Коэффициент усиления усилителя с обратной связью равен 1; поэтому сдвиг не будет иметь существенного значения в схеме измерения коэффициента усиления усилителя . без обратной связи. Сопротивления 99 и 1 кОм работают как делитель па-пряжения. Будем измерять (У„, а входное напряжение усилителя (Уд будет равно t/ /100. Следовательно, коэффициент усиления усилителя без обратной связи будет равен А = UmxIiUaltbO) = (/вых/(/д. Тщательно измерить t/вых и (/ , рассчитать коэффициент усиления усилителя без обратной связи it записать его значение, (б) Собрать инвертирующий усилитель по схеме на рис. 2.14. Взять Ro.c= 1 МОм и рассчитать Ri для Ко.с = 1000. Рассчитать Ri и Rs для Rt = 200 кОм и Rn - 50 кОм Примечание: Пренебрегаем сдвигом нуля на входе усилителя цА741, поскольку практически можно свести к нулю напряжение сдвига выхода с помощью внешней цепи установки нуля, в) Заземлить вход схемы л установить нуль выхода, г) Измерить коэффициент усиления усилителя с замкнутой обратной связью при переменном входном напряжении, амплитуда которого равна 0,01 В, а частота 5 Гц. (д) Рассчитать коэффициент усиления усилителя с замкнутой обратной связью для схемы по п. г), используя следующие выражения: /Со. с = Лэфф/(1 + ЛффР),

где P = Ri/i?o. с и Азфф = ARo. cl(Ri-\-Ro.c). Как этот расчет согласуется с вашими измерениями?

2. (а) Собрать схему, приведенную на рис. 2.15, и настроить нуль усилителя. (б) Рассчитать идеальный коэффициент усиления усилителя с обратной связью, используя выражение Ко. с = {Ro. с + {Ra + RB)\!{Rn + Rb). (в) Рассчитать коэффициент усиления усилителя с обратной связью, используя полное выражение для коэффициента усиления Ко. с = Л/(1 + Лр), где Р = R\l(R\ + Ro. с) (напомним, что Ri= Ra+ Rb). (г) Измерить коэффициент усиления усилителя с замкнутой обратной связью. Как согласуются данные по пп. (б), (в) и (г)?

Обсуждение. Укажите, как соответствуют друг другу значения идеального и измеренного коэффициента усиления усилителя с обратной связью. Проанализируйте основные причины, по которым наблюдаются различия между расчетными и измеренными значениями коэффициента усиления усилителя с обратной связью.

ГЛАВА 3

ТОК СМЕЩЕНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНЫХ СИГНАЛОВ (КОСС), ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДРЕЙФ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ЗА СЧЕТ ПРЕРЫВАНИЯ

Для выбора величин сопротивлений цепи обратной связи операционного усилителя надо знать величину (входного) тока, необходимую для управления усилителем. Для точного усиления разностных сигналов следует учесть влияние, которое будет оказывать на систему синфазный сигнал. В этой главе обсуждается проблема измерения величин тока сдвига и синфазного сигнала. Напряжение сдвига и ток смещения могут быть скомпенсированы только при одном значении температуры. Входное напряжение и ток сдвига изменяются с изменением температуры. Часто бывает непрактично компенсировать дрейф С/сдв и /сдв, вызванный изменением температуры; поэтому необходимо уметь предсказать ошибку, вызванную дрейфом, для того чтобы знать, допустима ли она'для схемы, работающей в определенном температурном диапазоне.

Назначение главы. Окончив изучение этой главы и ответив на .контрольные вопросы, студент должен уметь: 1. Указать принцип, лежащий в основе измерения, выбрать компоненты и перечислить операции, которые необходимо выполнить для измерения /см и /сдв.

2 Определить и рассчитать ошибку, возникшую за счет КОСС.

3. Указать метод измерения КОСС и нарисовать необходимую для этого схему.

4. Указать два главных фактора, вызывающих температурный дрейф.

5. По заданным значениям Д/сдв/А/ , ДС/сдв/АГ и ДГ рассчитать ошибку в выходном напряжении за счет изменения температуры.

6. Кратко объяснить работу операционного усилителя со стабилизацией прерыванием и с использованием варикапов.

7. Выполнить лабораторную работу к гл. 3.

3.1. ТОК СДВИГА И ЕГО ИЗМЕНЕНИЕ

Для измерения тока сдвига собирается схема, приведенная на рис. 3.1. Заметим, что при замкнутом положении переклю-

чателей /7i и /Уг схема напоминает повторитель с заземленным входом.

Если есть внутренняя регулировка напряжения смещения, то при замкнутом положении переключателей IIi и /Уг напряжение (JcA9 необходимо свести к нулю с возможно большей точностью.

Конденсаторы используются для устранения частотной (динамической) неустойчивости или генерации.

Если С/сдв не может быть скомпенсировано, его значение необходимо запомнить. Так как при замкнутом положении переключателей /7i и /Уг схе-вых ма является повторителем, напряжение на ее выходе С/вых будет в точности соответствовать С/сдв. Заметим, что если переключатель Hi находится в разомкнутом положении, а переключатель Яг - в замкнутом, то на сопротивлении Ri появляется падение напряжения, вызванное током /смь {R\ и R2 берутся большими, поскольку /см малы; таким путем получаем величину напряжения, удобную для измерения.) Так как схема является повторителем, то СУвых = IcuiRi, если С/сдв С/вых. Следовательно,

Рис. 3.1. Схема измерения /см и /сдв.

С=0,01 мкФ. Ш МОм < Ни Нг < ЮОО МОм, 1 = /?г.

/см 1 = f/вых ?!. если С/вь,х и,

(3.1)

Если с/сдв нельзя пренебречь по сравнению с С/вых при разомкнутом положении переключателя Пи то

/см 1 = (f/вых-сдв) ?1.

(3.2)

Пример 3.1. ЕслиС/сдз=10 мВ и 1вь,х=-15 мВ, где R, = 10 МОм, то /с„, = = (-15 мВ -10 мВ)/10 МОм =-25 мВ/10 МОм =-2,5 нА. Если = = 10 МОм, С/сдв = -5 мВ и С/вых = -10 мВ, то /с„ , = [-10 мВ - - (-5 мВ)]/10 МОм = -5 мВ/10 МОм = -0,5 нА. Теперь, если замкнуть rii и разомкнуть Яг, получим

/см2 = :/вых-/сдв)/Л2. (3.3)

Если одновременно разомкнуть Я, и Яг, то, поскольку Ri = R2, получим

Свых ~ см 1 /см 2R = R (/см 1 - /см 2)

Но /см1-/см 2 есть входной ток сдвига /сдв, поэтому, если f сдо-С вых, то

/cflB=t/Bux/? (3.4)