Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Manufacturing Technology >> Промышленные технологии

Практические рекомендации по операционному усилителю

Настоящие операционные усилители имеют некоторые недостатки по сравнению с «идеальной» моделью. Настоящее устройство отличается от идеального усилителя разности. Один минус один не может быть нулем. У него может быть смещение, как у аналогового измерителя, которое не обнулено. Входы могут потреблять ток. Характеристики могут изменяться с возрастом и температурой. Усиление может уменьшаться на высоких частотах, а фаза может сдвигаться от входа к выходу. Эти недостатки могут не вызывать заметных ошибок в одних приложениях и неприемлемых ошибок в других. В некоторых случаях эти ошибки можно компенсировать. Иногда требуется более качественное и дорогое устройство.

Синфазное усиление

Как указывалось ранее, идеальный дифференциальный усилитель только усиливает разницу напряжений. между двумя входами. Если два входа дифференциального усилителя должны быть закорочены вместе (таким образом гарантируя нулевую разность потенциалов между ними), выходное напряжение не должно измениться ни при какой величине напряжения, приложенного между этими двумя закороченными входами и землей:

Напряжение, которое является общим между любым из входов и землей, как «V common-mode ”В данном случае называется синфазным напряжением . . При изменении этого общего напряжения выходное напряжение идеального дифференциального усилителя должно оставаться абсолютно стабильным (без изменения выходного сигнала при любом произвольном изменении синфазного входа). Это означает усиление синфазного напряжения . нуля.

Операционный усилитель, будучи дифференциальным усилителем с высоким дифференциальным усилением, в идеале также должен иметь нулевое синфазное усиление. Однако в реальной жизни этого добиться нелегко. Таким образом, синфазные напряжения неизменно будут оказывать некоторое влияние на выходное напряжение операционного усилителя.

Производительность реального операционного усилителя в этом отношении обычно измеряется с точки зрения его дифференциального усиления по напряжению (насколько он усиливает разницу между двумя входными напряжениями) по сравнению с его синфазным усилением по напряжению (насколько он усиливает синфазный сигнал). Напряжение). Отношение первого и второго называется коэффициентом подавления синфазного сигнала . , сокращенно CMRR:

Идеальный операционный усилитель с нулевым синфазным усилением имел бы бесконечный CMRR. Реальные операционные усилители имеют высокий CMRR, вездесущий 741 имеет что-то около 70 дБ, что составляет чуть более 3000 с точки зрения отношения.

Поскольку коэффициент подавления синфазного сигнала в типичном операционном усилителе очень высок, синфазное усиление обычно не вызывает большого беспокойства в схемах, где операционный усилитель используется с отрицательной обратной связью. Если синфазное входное напряжение схемы усилителя внезапно изменится, что приведет к соответствующему изменению на выходе из-за синфазного усиления, это изменение на выходе будет быстро скорректировано как отрицательная обратная связь и дифференциальное усиление (равное много больше, чем коэффициент усиления синфазного сигнала) работал, чтобы вернуть систему в равновесие. Конечно, на выходе можно увидеть изменение, но оно будет намного меньше, чем вы могли бы ожидать.

Однако следует помнить о синфазном усилении в схемах дифференциальных операционных усилителей, таких как инструментальные усилители. За пределами герметичного корпуса операционного усилителя и чрезвычайно высокого дифференциального усиления мы можем обнаружить синфазное усиление, вызванное дисбалансом значений резисторов. Чтобы продемонстрировать это, мы запустим SPICE-анализ на инструментальном усилителе с закороченными вместе входами (без дифференциального напряжения), наложив синфазное напряжение, чтобы увидеть, что произойдет. Сначала мы проведем анализ выходного напряжения идеально сбалансированной цепи. Мы должны ожидать, что выходное напряжение не изменится при изменении синфазного напряжения:

 инструментальный усилитель v1 1 0 rin1 1 0 9e12 rjump 1 4 1e-12 rin2 4 0 9e12 e1 3 0 1 2 999k e2 6 0 4 5 999k e3 9 0 8 7 999k rload 9 0 10k r1 2 3 10k rgain 2 5 10k r2 5 6 10k r3 3 7 10k r4 7 9 10k r5 6 8 10k r6 8 0 10k .dc v1 0 10 1 .print dc v (9) .end 
 v1 v (9) 0.000E + 00 0.000E + 00 1.000E + 00 1.355E-16 2.000E + 00 2.710E-16 3.000E + 00 0.000E + 00 Как видите, выходное напряжение v ( 9) 4.000E + 00 5.421E-16 практически не меняется для синфазного входного напряжения 5.000E + 00 0.000E + 00 (v1), которое изменяется от 0 6.000E + 00 0.000E + 00 до 10 вольт. 7.000E + 00 0.000E + 00 8.000E + 00 1.084E-15 9.000E + 00 -1.084E-15 1.000E + 01 0.000E + 00 

Помимо очень небольших отклонений (на самом деле из-за причуд SPICE, а не реального поведения схемы), выход остается стабильным там, где он должен быть:при 0 вольт, с нулевым дифференциалом входного напряжения. Однако давайте внесем в схему дисбаланс резисторов, увеличив значение R 5 . от 10 000 Ом до 10 500 Ом, и посмотрите, что произойдет (список соединений был опущен для краткости - единственное, что изменилось, это значение R 5 ):

 v1 v (9) 0.000E + 00 0.000E + 00 1.000E + 00 -2.439E-02 2.000E + 00 -4.878E-02 3.000E + 00 -7.317E-02 На этот раз мы видим значительное изменение 4.000E + 00 -9.756E-02 (от 0 до 0,2439 вольт) при выходном напряжении 5.000E + 00 -1.220E-01 при синфазном изменении входного напряжения 6.000E + 00 -1.463E-01 от 0 до 10 вольт как это было раньше. 7.000E + 00 -1.707E-01 8.000E + 00 -1.951E-01 9.000E + 00 -2.195E-01 1.000E + 01 -2.439E-01 

Наш дифференциал входного напряжения по-прежнему равен нулю, но выходное напряжение значительно изменяется при изменении синфазного напряжения. Это указывает на синфазное усиление, чего мы пытаемся избежать. Более того, это наше собственное усиление синфазного сигнала, не имеющее ничего общего с недостатками самих операционных усилителей. При сильно регулируемом дифференциальном усилении (фактически равном 3 в этой конкретной схеме) и отсутствии отрицательной обратной связи за пределами схемы, это синфазное усиление не будет проверяться в приложении сигнала прибора.

Есть только один способ исправить это синфазное усиление - сбалансировать все значения резисторов. При проектировании инструментального усилителя из дискретных компонентов (вместо того, чтобы покупать один в интегрированном корпусе), разумно предусмотреть некоторые средства для выполнения точной настройки по крайней мере одного из четырех резисторов, подключенных к конечному операционному усилителю, чтобы иметь возможность « обрезать ”любое такое усиление синфазного сигнала. Предоставление средств для «обрезки» резисторной сети также имеет дополнительные преимущества. Предположим, что все номиналы резисторов в точности такие, какими должны быть, но синфазное усиление существует из-за несовершенства одного из операционных усилителей. С помощью положения регулировки сопротивление можно уменьшить, чтобы компенсировать это нежелательное усиление.

Одной из особенностей некоторых моделей операционных усилителей является их фиксация . , обычно вызывается превышением допустимого входного синфазного напряжения. Если синфазное напряжение выходит за пределы, указанные производителем, выход может внезапно «защелкнуться» в высоком режиме (насыщаться при полном выходном напряжении). В операционных усилителях с JFET-входом может возникнуть фиксация, если синфазное входное напряжение слишком близко к отрицательному напряжению шины питания. Например, на операционном усилителе TL082 это происходит, когда синфазное входное напряжение находится в пределах 0,7 В от отрицательного напряжения шины питания. Такая ситуация может легко возникнуть в цепи с однополярным питанием, где отрицательная шина питания заземлена (0 В), а входной сигнал может свободно колебаться до 0 В.

Блокировка также может быть вызвана превышением входного синфазного напряжения. напряжение на шине питания, отрицательное или положительное. Как правило, вы никогда не должны допускать, чтобы входное напряжение поднималось выше положительного напряжения шины источника питания или опускалось ниже отрицательного напряжения шины источника питания, даже если рассматриваемый операционный усилитель защищен от защелкивания (как 741 и 1458 моделей операционных усилителей). По крайней мере, поведение операционного усилителя может стать непредсказуемым. В худшем случае фиксация, вызванная входным напряжением, превышающим напряжение источника питания, может быть разрушительной для операционного усилителя.

Хотя может показаться, что этой проблемы легко избежать, ее вероятность более вероятна, чем вы думаете. Рассмотрим случай схемы операционного усилителя при включении питания. Если схема получает полное напряжение входного сигнала до у собственного источника питания было достаточно времени, чтобы зарядить конденсаторы фильтра, синфазное входное напряжение может легко превысить напряжение шины питания на короткое время. Если операционный усилитель получает напряжение сигнала от цепи, питаемой от другого источника питания, и его собственный источник питания выходит из строя, напряжение (я) сигнала может превышать напряжения шины питания на неопределенное время!

Напряжение смещения

Еще одна практическая проблема, связанная с производительностью операционного усилителя, - это смещение напряжения . . То есть эффект наличия выходного напряжения, отличного от нуля вольт, когда две входные клеммы закорочены вместе. Помните, что операционные усилители - это прежде всего дифференциальные усилители:они должны усиливать разницу в напряжении между двумя входными соединениями и ничего более. Когда эта разница входного напряжения составляет ровно ноль вольт, мы (в идеале) ожидаем, что на выходе будет ровно ноль вольт. Однако в реальном мире такое случается редко. Даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет нулевое синфазное усиление (бесконечный CMRR), выходное напряжение может отличаться от нуля, когда оба входа закорочены вместе. Это отклонение от нуля называется смещением . .

Идеальный операционный усилитель выдавал бы ровно ноль вольт, если бы оба его входа были закорочены вместе и заземлены. Однако большинство имеющихся в продаже операционных усилителей будут доводить свои выходы до уровня насыщения, либо отрицательного, либо положительного. В показанном выше примере выходное напряжение насыщено положительным значением 14,7 В, что немного меньше + В (+15 В) из-за положительного предела насыщения этого конкретного операционного усилителя. Поскольку смещение в этом операционном усилителе приводит выход к точке полного насыщения, невозможно определить, сколько смещения напряжения присутствует на выходе. Если бы источник питания с разделением на + V / -V имел достаточно высокое напряжение, кто знает, возможно, из-за эффекта смещения выходное напряжение могло бы составить несколько сотен вольт!

По этой причине напряжение смещения обычно выражается в эквиваленте входного перепад напряжения, вызывающий этот эффект. Другими словами, мы представляем себе, что операционный усилитель идеален (без смещения вообще), и небольшое напряжение подается последовательно с одним из входов, чтобы заставить выходное напряжение в ту или иную сторону от нуля. Поскольку дифференциальное усиление операционного усилителя настолько велико, величина «входного напряжения смещения» не должна быть большой, чтобы учесть то, что мы видим с закороченными входами:

Напряжение смещения будет иметь тенденцию вносить небольшие ошибки в любую схему операционного усилителя. Так как же нам это компенсировать? В отличие от синфазного усиления, производитель обычно предусматривает обрезку смещения корпусного операционного усилителя. Обычно две дополнительные клеммы на корпусе операционного усилителя зарезервированы для подключения внешнего «подстроечного» потенциометра. Эти точки подключения помечены как нулевое смещение . и используются в общем виде:

В одиночных операционных усилителях, таких как 741 и 3130, нулевыми точками подключения смещения являются контакты 1 и 5 на 8-контактном корпусе DIP. Другие модели операционных усилителей могут иметь соединения нулевого смещения, расположенные на других выводах, и / или требовать немного отличающейся конфигурации соединения подстроечного потенциометра. Некоторые операционные усилители вообще не имеют нулевых выводов со смещением! Подробные сведения см. В технических характеристиках производителя.

Ток смещения

Входы операционного усилителя имеют чрезвычайно высокое входное сопротивление. То есть входные токи, входящие или выходящие из двух соединений входных сигналов операционного усилителя, чрезвычайно малы. Для большинства целей анализа схем операционных усилителей мы рассматриваем их так, как будто их вообще не существует. Мы анализируем схему так, как если бы на входе или выходе из входных соединений был абсолютно нулевой ток. Однако эта идиллическая картина не совсем верна. Операционные усилители, особенно операционные усилители с биполярными транзисторными входами, должны пропускать через свои входные соединения некоторое количество тока, чтобы их внутренние цепи были правильно смещены. Эти токи, по логике, называются токами смещения . . При определенных условиях токи смещения операционного усилителя могут быть проблематичными. Следующая схема иллюстрирует одно из этих проблемных состояний:

На первый взгляд, видимых проблем с этой схемой мы не видим. Термопара, генерирующая небольшое напряжение, пропорциональное температуре (фактически, напряжение, пропорциональное разнице по температуре между измерительным переходом и «эталонным» спаем, образованным, когда провода термопары из сплава соединяются с медными проводами, ведущими к операционному усилителю) приводит в движение операционный усилитель либо положительно, либо отрицательно. Другими словами, это своего рода схема компаратора, сравнивающая температуру между концевым спаем термопары и опорным спаем (рядом с операционным усилителем). Проблема заключается в следующем:проволочная петля, образованная термопарой, не обеспечивает путь для обоих входных токов смещения, потому что оба тока смещения пытаются пройти одинаковым путем (либо в операционный усилитель, либо из него).

Чтобы эта схема работала должным образом, мы должны заземлить один из входных проводов, тем самым обеспечивая путь к земле (или от нее) для обоих токов:

Не обязательно очевидная проблема, но вполне реальная!

Другой способ, которым входные токи смещения могут вызвать проблемы, - это падение нежелательных напряжений на сопротивлениях цепи. Возьмем, к примеру, эту схему:

Мы ожидаем, что схема повторителя напряжения, подобная приведенной выше, будет точно воспроизводить входное напряжение на выходе. Но как насчет сопротивления, включенного последовательно с источником входного напряжения? Если через неинвертирующий (+) вход вообще есть ток смещения, то на R в будет падать некоторое напряжение. , таким образом делая напряжение на неинвертирующем входе неравным фактическому V в ценность. Токи смещения обычно находятся в диапазоне микроампер, поэтому падение напряжения на R в будет не очень много, если только R in очень большой. Один пример приложения, в котором входное сопротивление (R in ) будет быть очень большим, это электроды зонда pH, где один электрод содержит проницаемый для ионов стеклянный барьер (очень плохой проводник с сопротивлением в миллионы Ом).

Если бы мы действительно создавали схему операционного усилителя для измерения напряжения pH-электрода, мы, вероятно, захотели бы использовать входной операционный усилитель на полевых транзисторах или МОП-транзисторах (IGFET) вместо одного, построенного на биполярных транзисторах (для меньшего входного тока смещения). Но даже в этом случае небольшие токи смещения могут остаться, что может привести к ошибкам измерения, поэтому мы должны найти способ их смягчить за счет хорошей конструкции.

Один из способов сделать это основан на предположении, что два входных тока смещения будут одинаковыми. На самом деле они часто близки к тому же, разница между ними называется входным током смещения . . Если они одинаковы, то мы сможем нейтрализовать влияние падения напряжения на входном сопротивлении, вставив такое же сопротивление последовательно с другим входом, например:

С добавлением дополнительного сопротивления в схему выходное напряжение будет ближе к V в чем раньше, даже если есть некоторое смещение между двумя входными токами.

Как для инвертирующих, так и для неинвертирующих схем усилителя, резистор компенсации тока смещения подключается последовательно с неинвертирующим (+) входом для компенсации падений напряжения тока смещения в цепи делителя:

В любом случае значение компенсирующего резистора определяется путем вычисления значения параллельного сопротивления R 1 и R 2 . Почему значение равно параллельному эквивалент R 1 и R 2 ? При использовании теоремы суперпозиции для определения того, какое падение напряжения будет произведено инвертирующим (-) входным током смещения, мы рассматриваем ток смещения, как если бы он исходил от источника тока внутри операционного усилителя, и замыкали накоротко все источники напряжения. (V в и V out ). Это дает два параллельных пути для тока смещения (через R 1 и через R 2 , оба на землю). Мы хотим дублировать влияние тока смещения на неинвертирующий (+) вход, поэтому значение резистора, которое мы выбираем для последовательной вставки с этим входом, должно быть равно R 1 параллельно с R 2 .

Связанная с этим проблема, с которой иногда сталкиваются студенты, только обучающиеся построению схем операционного усилителя, вызвана отсутствием общего заземляющего соединения с источником питания. Это обязательно Для правильной работы операционного усилителя, чтобы некоторые клеммы источника питания постоянного тока были общими для «заземления» входных сигналов. Это обеспечивает полный путь для токов смещения, тока (-ов) обратной связи и для тока нагрузки (выходного). Возьмем, к примеру, эту схему, на которой показан правильно заземленный источник питания:

Здесь стрелками обозначен путь прохождения электронов через батареи источника питания, как для питания внутренней схемы операционного усилителя («потенциометр» внутри него, который контролирует выходное напряжение), так и для питания цепи обратной связи резисторов R 1 и R 2 . Предположим, однако, что заземление для этого «раздельного» источника питания постоянного тока необходимо удалить. Эффект от этого огромен:

Электроны не могут входить или выходить из выходного терминала операционного усилителя, потому что путь к источнику питания является «тупиковым». Таким образом, электроны не проходят через заземление слева от R 1 . , ни через петлю обратной связи. Это фактически делает операционный усилитель бесполезным:он не может поддерживать ток ни через контур обратной связи, ни через заземленную нагрузку, поскольку нет соединения ни от одной точки источника питания с землей.

Токи смещения также останавливаются, потому что они зависят от пути к источнику питания и обратно к входному источнику через землю. На следующей диаграмме показаны токи смещения (только), когда они проходят через входные клеммы операционного усилителя, через базовые клеммы входных транзисторов и, в конечном итоге, через клеммы источника питания и обратно на землю. P>

Без заземления на источнике питания токи смещения не будут иметь полного пути для цепи, и они остановятся. Поскольку биполярные переходные транзисторы являются устройствами с управлением по току, это также делает бесполезным входной каскад операционного усилителя, поскольку оба входных транзистора будут принудительно отключены из-за полного отсутствия тока базы.

ОБЗОР:

Дрейф

Будучи полупроводниковыми приборами, операционные усилители могут незначительно изменять свое поведение при изменении рабочей температуры. Любые изменения производительности операционного усилителя в зависимости от температуры подпадают под категорию дрейфа операционного усилителя. . Параметры дрейфа могут быть указаны для токов смещения, напряжения смещения и т.п. Подробные сведения о каждом конкретном операционном усилителе см. В техническом описании производителя.

Чтобы свести к минимуму дрейф операционного усилителя, мы можем выбрать операционный усилитель с минимальным дрейфом, и / или мы можем сделать все возможное, чтобы поддерживать рабочую температуру как можно более стабильной. Последнее действие может включать обеспечение некоторой формы контроля температуры внутри оборудования, в котором находится операционный усилитель (операционные усилители). Это не так странно, как может показаться на первый взгляд. Например, иногда известно, что в стандартных прецизионных генераторах опорного напряжения используются «печи» для поддержания постоянных температур своих чувствительных компонентов (таких как стабилитроны). Если требуется чрезвычайно высокая точность по сравнению с обычными факторами стоимости и гибкости, возможно, стоит обратить внимание на этот вариант.

ОБЗОР:

Частотная характеристика

Благодаря невероятно высокому коэффициенту дифференциального усиления по напряжению операционные усилители являются первыми кандидатами на явление, известное как колебание обратной связи . . You’ve probably heard the equivalent audio effect when the volume (gain) on a public-address or other microphone amplifier system is turned too high:that high pitched squeal resulting from the sound waveform “feeding back” through the microphone to be amplified again. An op-amp circuit can manifest this same effect, with the feedback happening electrically rather than audibly.

A case example of this is seen in the 3130 op-amp, if it is connected as a voltage follower with the bare minimum of wiring connections (the two inputs, output, and the power supply connections). The output of this op-amp will self-oscillate due to its high gain, no matter what the input voltage. To combat this, a small compensation capacitor must be connected to two specially-provided terminals on the op-amp. The capacitor provides a high-impedance path for negative feedback to occur within the op-amp’s circuitry, thus decreasing the AC gain and inhibiting unwanted oscillations. If the op-amp is being used to amplify high-frequency signals, this compensation capacitor may not be needed, but it is absolutely essential for DC or low-frequency AC signal operation.

Some op-amps, such as the model 741, have a compensation capacitor built in to minimize the need for external components. This improved simplicity is not without a cost:due to that capacitor’s presence inside the op-amp, the negative feedback tends to get stronger as the operating frequency increases (that capacitor’s reactance decreases with higher frequencies). As a result, the op-amp’s differential voltage gain decreases as frequency goes up:it becomes a less effective amplifier at higher frequencies.

Op-amp manufacturers will publish the frequency response curves for their products. Since a sufficiently high differential gain is absolutely essential to good feedback operation in op-amp circuits, the gain/frequency response of an op-amp effectively limits its “bandwidth” of operation. The circuit designer must take this into account if good performance is to be maintained over the required range of signal frequencies.

ОБЗОР:

Input to Output Phase Shift

In order to illustrate the phase shift from input to output of an operational amplifier (op-amp), the OPA227 was tested in our lab. The OPA227 was constructed in a typical non-inverting configuration (Figure below).

OPA227 Non-inverting stage

The circuit configuration calls for a signal gain of ≅34 V/V or ≅50 dB. The input excitation at Vsrc was set to 10 mVp, and three frequencies of interest:2.2 kHz, 22 kHz, and 220 MHz. The OPA227’s open loop gain and phase curve vs. frequency is shown in Figure below.

AV and Φ vs. Frequency plot

To help predict the closed loop phase shift from input to output, we can use the open loop gain and phase curve. Since the circuit configuration calls for a closed loop gain, or 1/β, of ≅50 dB, the closed loop gain curve intersects the open loop gain curve at approximately 22 kHz. After this intersection, the closed loop gain curve rolls off at the typical 20 dB/decade for voltage feedback amplifiers, and follows the open loop gain curve.

What is actually at work here is the negative feedback from the closed loop modifies the open loop response. Closing the loop with negative feedback establishes a closed loop pole at 22 kHz. Much like the dominant pole in the open loop phase curve, we will expect phase shift in the closed loop response. How much phase shift will we see?

Since the new pole is now at 22 kHz, this is also the -3 dB point as the pole starts to roll off the closed loop again at 20 dB per decade as stated earlier. As with any pole in basic control theory, phase shift starts to occur one decade in frequency before the pole, and ends at 90 o of phase shift one decade in frequency after the pole. So what does this predict for the closed loop response in our circuit?

This will predict phase shift starting at 2.2 kHz, with 45 o of phase shift at the -3 dB point of 22 kHz, and finally ending with 90 o of phase shift at 220 kHz. The three Figures shown below are oscilloscope captures at the frequencies of interest for our OPA227 circuit. Figure below is set for 2.2 kHz, and no noticeable phase shift is present. Figure below is set for 220 kHz, and ≅45 o of phase shift is recorded. Finally, Figure below is set for 220 MHz, and the expected ≅90 o of phase shift is recorded. The scope plots were captured using a LeCroy 44x Wavesurfer. The final scope plot used a x1 probe with the trigger set to HF reject.

OPA227 Av=50dB @ 2.2 kHz

OPA227 Av=50dB @ 22 kHz

OPA227 Av=50dB @ 220 kHz

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:


Промышленные технологии

  1. Батареи серии
  2. Делитель напряжения
  3. Термоэлектричество
  4. Потенциометрический вольтметр
  5. Картофельная батарея
  6. Фазовый сдвиг
  7. Регулятор напряжения
  8. Повторитель напряжения
  9. Практические соображения - цифровая коммуникация
  10. Практические соображения - индукторы