Практические соображения при работе с операционными усилителями

Реальные операционные усилители отклоняются от идеальной модели: входное смещение, конечное подавление общего режима, входные токи смещения, температурный дрейф, частотозависимое усиление и фаза. Понимание этих неидеальностей критично для проектирования надёжных аналоговых схем. Во многих простых применениях ошибки пренебрежимы, но в точной инструментарии, формировании сигналов или высокоскоростных системах они становятся решающими. Иногда эффект можно компенсировать, иногда требуется дороже и качественнее устройство.

Коэффициент усиления по общему режиму

В идеальном дифференциальном усилителе выход строго функция разности напряжений на входах. При закоротченных входах (нулевое дифференциальное напряжение) любое приложенное общее напряжение V_CM не должно менять выход. Идеальное усиление по общему режиму — нуль.

Реальные ОУ имеют небольшое усиление по общему режиму. Коэффициент подавления общего режима (CMRR) — отношение дифференциального усиления к общему:

Для классического 741 CMRR в среднем ~70 дБ, эквивалентно отношению ~3000:1. Так как дифференциальное усиление обычно на порядки больше, влияние общего режима при отрицательной обратной связи невелико. Однако в инструментальных схемах несоответствие резисторов может вносить значительное усиление по общему режиму, как показано ниже.

Ниже — SPICE-моделирование инструментального усилителя с закоротченными входами и переменным общим напряжением. В идеально сбалансированной схеме выход остаётся нулевым во всем диапазоне:

instrumentation amplifier
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
4.000E+00 5.421E-16
5.000E+00 0.000E+00
6.000E+00 0.000E+00
7.000E+00 0.000E+00
8.000E+00 1.084E-15
9.000E+00 -1.084E-15
1.000E+01 0.000E+00

Введение небольшого дисбаланса резисторов (например, повышение R₅ с 10 кОм до 10,5 кОм) порождает измеримое усиление по общему режиму, как видно в следующем прогоне:

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
4.000E+00 -9.756E-02
5.000E+00 -1.220E-01
6.000E+00 -1.463E-01
7.000E+00 -1.707E-01
8.000E+00 -1.951E-01
9.000E+00 -2.195E-01
1.000E+01 -2.439E-01

Хотя входная разность остаётся нулевой, выход теперь меняется на ~0,24 В при общем режиме 0–10 В, показывая, как несоответствие резисторов создаёт нежелательное усиление по общему режиму. Лекарство простое: обеспечить точное согласование резисторов и, по возможности, включить подстроечный потенциометр в обратную связь конечного ОУ для компенсации остаточного усиления по общему режиму.

Напряжение смещения

Напряжение смещения — это напряжение на выходе при закоротченных входах. Идеально — ноль; на практике — несколько милливольт, что может увести выход в насыщение, особенно в схемах с однополярным питанием. Смещение выражают как эквивалентное входное напряжение, которое дало бы наблюдаемый выход на идеальном усилителе:

Производители выводят выводы компенсации смещения на многих ОУ (например, пины 1 и 5 у 741 в DIP-8). Подключением малого потенциометра между этими выводами и смещением входа можно точно выровнять смещение до нуля. Не все ОУ имеют такие выводы — смотрите даташит конкретной детали.

Ток смещения

У ОУ высокое входное сопротивление, но ток смещения — обычно несколько микроампер — необходим для работы внутреннего входного каскада. В схемах, где одиночный вход подключён к высокоомному источнику (термопара, pH-электрод), ток смещения создаёт падение напряжения на последовательном сопротивлении, внося измеренческую погрешность.

Например, в повторителе напряжения с последовательным резистором 1 МОм ток смещения 10 мкА даёт ошибку 10 мВ. Распространённый метод борьбы — добавить резистор такого же значения на другой вход, уравновесив падения от токов смещения:

В инвертирующих или неинвертирующих усилителях компенсирующий резистор подбирают равным параллельной комбинации двух резисторов обратной связи:

Правильное заземление питания также критично. Без общей земли токи смещения не имеют пути течения, делая входной каскад ОУ неработоспособным. Всегда обеспечивайте соединение одного полюса питания с опорной землёй схемы.

Дрейф

Температурные вариации вызывают дрейф тока смещения, напряжения смещения и других параметров. Степень дрейфа зависит от технологии: ОУ с полевыми входами (JFET, MOSFET) обычно имеют меньший дрейф, чем биполярные. Выбор мало дрейфующей детали и, где нужна высокая точность, поддержание стабильной температуры (термостат) — лучшие контрмеры.

Частотная характеристика

Высокое дифференциальное усиление делает ОУ склонными к автогенерации. Простой повторитель на 3130 может генерировать без компенсирующего конденсатора между двумя специальными пинами «компенсации». Даже когда конденсатор внутренний (как в 741), переменное усиление падает с частотой, ограничивая полосу пропускания.

Производители публикуют АЧХ (усиление vs частота). Проектировщики должны ориентироваться на них при задании замыкнутой полосы пропускания, чтобы избежать деградации или неустойчивости.

Фазовый сдвиг вход-выход

Для иллюстрации фазового сдвига измеряли OPA227 в неинвертирующей схеме с усилением 34× (~50 дБ). Открытая АЧХ пересекает линию 50 дБ замыкнутого усиления около 22 кГц, задавая доминирующий полюс. Следовательно, фаза замыкнутой передачи:

• ~0° на 2,2 кГц (декада ниже полюса)
• ~45° на 22 кГц (на полюсе)
• ~90° на 220 кГц (декада выше полюса)

Осциллограммы подтверждают: без сдвига на 2,2 кГц, ~45° на 22 кГц, ~90° на 220 кГц.

Связанные листы работы

• Лист работы по сумматорным и вычитающим схемам на ОУ
• Лист работы по инвертирующим и неинвертирующим усилителям напряжения на ОУ