Эффекты ограничений ОУ на работу схем на их основе

 

Вернемся к инвертирующему усилителю и рассмотрим его еще раз, учитывая известные нам теперь ограничения. Покажем, как они влияют на работу схемы и как их учесть при разработке ОУ. Используя этот пример, вы сможете разобраться и с другими схемами ОУ. На рис. 4.30 вновь показан инвертирующий операционный усилитель.

 

 

Рис. 4.30.

 

Коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС. В связи с тем что коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС имеет конечное значение, в усилителе с обратной связью коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС) в определенный момент начинает убывать. Этому моменту соответствует частота, на которой коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС приближается к значению R₂ / R₁ (рис. 4.31).

 

 

Рис. 4.31. Зависимость коэффициента усиления от частоты для ОУ типа LF411 («диаграмма Боде»).

1 – коэффициент усиления при разомкнутой ОС, 2 – коэффициент усиления при замкнутой ОС, f _эдБ = fτ / К_{(замкнутой ОС)}  

 

Этот спад позволяет судить о том, что семейство усилителей типа 411 относится к классу низкочастотных усилителей; на частоте 50 кГц коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС падает до 100, а частота f_ср равна 4 МГц. Обратите внимание, что коэффициент усиления при замкнутой цепи ОС всегда меньше, чем коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС; это означает, что если на основе ОУ типа 411 построить, например, усилитель со 100‑кратным усилением, то на частотах около 50 кГц его усиление заметно ослабеет. Более точно мы опишем этот эффект чуть ниже (разд. 4.25), когда будем рассматривать транзисторные схемы с обратной связью, имеющие конечный коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС.

Скорость нарастания. В связи с тем что скорость нарастания ограничена, на частотах выше некоторого граничного значения максимальный размах синусоидального сигнала начинает падать. На рис. 4.32 представлен график для операционного усилителя типа 411 со скоростью нарастания 15 В/мкс.

 

 

Рис. 4.32. Зависимость размаха выходного напряжения от частоты (LF411). U_и = ±15В; Т_окр = 25 °C, R_н = 10 кОм. Кривая убывает пропорционально 1/ f.

 

При скорости нарастания s выходная амплитуда ограничена значением A_{от пика до пика} =< s /π f для синусоидального сигнала, имеющего частоту f; тем самым объясняется наличие участка спада на графике с наклоном 1/ f. Горизонтальный участок на графике соответствует ограничению размаха выходного напряжения источников питания.

Попутно отметим, что ограничения, связанные со скоростью нарастания ОУ можно использовать на благо, для устранения шумовых импульсов полезного сигнала с помощью так называемой нелинейной низкочастотной фильтрации. Суть метода состоит в следующем: намеренно ограничивая скорость нарастания можно существенно уменьшить острые импульсы, никак не искажая при этом фоновый сигнал.

Выходной ток. В связи с тем, что выходной ток операционного усилителя ограничен, размах выходного напряжения на низкоомных нагрузках также ограничен. На рис. 4.33 представлен график для операционного усилителя типа 411.

 

 

Рис. 4.33. Зависимость размаха выходного напряжения от нагрузки (LF411). U_и = 15 В, Т_окр = 25 °C.

 

В прецизионных схемах как раз и нужно ограничивать выходные токи для того, чтобы избежать появления в кристалле схемы температурных градиентов, связанных с рассеянием слишком большой мощности в выходном каскаде.

Напряжение сдвига. Благодаря наличию входного напряжения сдвига, при нулевом напряжении на входе напряжение на выходе равно U_вых = K_UoU_сдв. Инвертирующий усилитель на основе ОУ типа 411 имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 100. При заземленном входе напряжение на выходе этой схемы достигает значения ±0,2 В U_сдв = 2 мВ, максимальное значение). Можно предложить следующие пути решения проблемы: а) Если усиление сигнала по постоянному току не представляет интереса, то с помощью конденсатора можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, как показано на рис. 4.7, также как в рассмотренном выше усилителе для звукоснимателя (рис. 4.20). Там для передачи входного сигнала используется емкостная связь, б) Настроить нуль, используя предлагаемую фирмой‑изготовителем схему регулировки, в) Можно использовать ОУ с меньшим напряжением сдвига U_сдв. г) Настроить нуль, используя схему регулировки, описанную в разд. 7.06 (рис. 7.5).

Входной ток смещения. Если в инвертирующем усилителе один из входов заземлен, то даже при условии идеальной настройки (т. е. U_сдв = 0), на выходе усилителя будет присутствовать отличное от нуля выходное напряжение. Это связано с тем, что входной ток смещения I_см создает падение напряжения на резисторах, которое затем усиливается схемой усилителя. В этой схеме сопротивление со стороны инвертирующего входа определяется резисторами R₁ || R₂, но ток смещения воспринимается как входной сигнал, подобный току, текущему через R₁, а поэтому он порождает смещение выхода U_вых = I_смR₂.

В операционных усилителях со входами на полевых транзисторах эффектом входного тока смещения обычно можно пренебречь, по‑другому дело обстоит с операционными усилителями на биполярных транзисторах – здесь значительные входные токи могут привести к серьезным проблемам. Рассмотрим в качестве примера инвертирующий усилитель, в котором R₁ = 10 кОм и R₂ = 1 МОм; эти значения подходят для инвертирующего каскада, в котором желательно обеспечить значение Z _вх, равным 10 кОм. Если выбрать схему типа LM833 на биполярных транзисторах, с низким уровнем шумов, то ее выходное напряжение (при заземленном входе) может достигать величины 100 x 1000 нА x 9,9 кОм или 0,99 В, что ни в какой мере не может быть приемлемо. Для сравнения отметим, что ОУ типа LF411 (со входами на полевых транзисторах с p‑n ‑переходом) соответствующее выходное напряжение для худшего случая (при заземленном входе) составляет 0,2 мВ; для большинства практических случаев эта величина пренебрежимо мала и уж во всяком случае несравнима с ошибкой выходного напряжения, порождаемой напряжением сдвига (в худшем случае для ненастроенного ОУ типа LF411 она составляет 200 мВ).

Для борьбы с ошибками, обусловленными током смещения, существует несколько способов. Если вам нужен ОУ с большим током смещения, можно сделать сопротивление со стороны обоих входов одинаковым, как на рис. 4.34.

 

 

Рис. 4.34. Для уменьшения ошибок, обусловленных входным током смещения в ОУ на биполярных транзисторах следует использовать компенсационный резистор.

 

В этом случае сопротивление 9,1 кОм выбрано с учетом параллельного соединения резисторов 10 кОм и 100 кОм. Кроме того, лучше всего если сопротивление цепи обратной связи будет достаточно малым, тогда ток смещения не будет давать большие сдвиги; сопротивления в цепях входов ОУ имеют типичные значения от 1 до 100 кОм. Третий способ состоит в уменьшении до единицы коэффициента усиления по постоянному току, как в рассмотренном выше усилителе для звукоснимателя.

Однако для большинства случаев можно рекомендовать использовать ОУ с пренебрежимо малыми входными токами. В операционных усилителях со входами на полевых транзисторах с р‑n ‑переходом или на полевых МОП‑транзисторах входные токи как правило имеют порядок пикоампер (однако, здесь входной ток быстро растет при увеличении температуры – удваивается при изменении температуры на каждые 10 °C), во многих современных схемах на биполярных транзисторах за счет использования транзисторов со сверхвысоким значением коэффициента β и схем компенсации смещения токи смещения почти также невелики и незначительно зависят от температуры. Такие операционные усилители обладают достоинствами ОУ на биполярных транзисторах (высокая точность, низкий уровень шума) и лишены недостатков, связанных со входным током.

Например, для прецизионного биполярного ОУ с низким уровнем шума типа ОР‑27 I_см = 10 нА (типичное значение), для недорогого биполярного ОУ типа LM312 I_см = 1,5 нА (типичное значение), для улучшенных вариантов этого ОУ (типа LT1012 и LM11) – I_см = 30 пА (типичное значение). Среди недорогих ОУ на полевых транзисторах можно назвать ОУ типа LF411 на полевых транзисторах с p‑n ‑переходом, для которого I_см = 50 пА (типичное значение) и серию ИС типа TLC20 на полевых МОП‑транзисторах, для которой I_см = 1 пА (типичное значение).

Входной ток сдвига. Как мы только что убедились, лучше всего создавать такие схемы, в которых импедансы и токи смещения ОУ порождают пренебрежимо малые ошибки. Однако иногда может возникнуть потребность в ОУ с большим током смещения или с очень большим эквивалентным импедансом. В этой ситуации лучше всего постараться сбалансировать входные импедансы по постоянному току. На выходе все равно будет существовать некоторая ошибка (К_{пост. ток} I_сдвR_ист), обусловленная асимметрией входных токов ОУ. В общем, I_сдв меньше, чем I_см в 2‑20 раз (биполярные ОУ, как правило, дают лучшее согласование, чем ОУ на полевых транзисторах).

В предыдущих параграфах мы рассмотрели эффекты ограничений ОУ на примере простого инвертирующего усилителя напряжения. Для него, например, наличие входного тока ОУ вызывает появление ошибки напряжения на выходе. В ОУ другого назначения эффект может быть совсем другим, например в инвертирующем ОУ конечный входной ток порождает на выходе линейно меняющийся сигнал (а не константу) при нулевом напряжении, приложенном ко входу. По мере освоения схем ОУ вы сможете оценивать, как сказываются ограничения ОУ на работе данной схемы и, следовательно, сможете выбрать операционный усилитель, подходящий для конкретного случая. Вообще говоря, «самого‑самого» лучшего ОУ на свете не существует (даже если вас не останавливает никакая цена): у операционных усилителей с самыми незначительными входными токами (на полевых МОП‑транзисторах), как правило, плохо обстоят дела с напряжением сдвига, и наоборот. Хорошие разработчики при выборе компонентов идут на компромиссы с тем, чтобы оптимизировать характеристики схемы, и избегают по‑возможности элементов с ненужной «позолотой».

* * *

 

«Сегодня густо, завтра пусто»

В своем неустанном стремлении к совершенству кристаллов полупроводниковая промышленность преподносит нам иногда неприятные сюрпризы. Представьте себе такую ситуацию: вы разработали отличную новую схему, сделали образец, провели тестирование и горите желанием запустить свое детище в производство. Вы оформляете заказ на необходимые компоненты, но оказывается, что самую нужную ИС сняли с производства! А порой бывает и еще хуже: заказчик начинает жаловаться на задержку поставки прибора, который выпускается уже ни один год. Когда вы начинаете выяснять, что случилось, оказывается, что для завершения сборки плат не хватает единственной ИС, которая «еще не поступила» на участок сборки. Далее выясняется, что она не поступила и на склад. В конце концов вы узнаете, что схему сняли с производства 6 месяцев назад и в наличии нет ни одной!

Почему же возникают подобные казусы и что может предпринять в таких случаях разработчик? По нашему мнению, существуют четыре основных причины прекращения производства ИС:

1. Устаревание: Появились новые, лучшие ИС и нет смысла продолжать выпуск старых. Это целиком и полностью относится к цифровым ИС памяти (например, каждый год небольшие статические кристаллы ЗУПВ (ЗУ с произвольной выборкой) и СППЗУ (стираемые программируемые постоянные ЗУ) заменяются более компактными и быстродействующими модификациями), хотя не избежали этой участи и линейные ИС. В подобных случаях чаще всего новая модифицированная ИС совместима со старой по выводам и может быть вставлена в старый разъем.

2. ИС не пользуется спросом у покупателей: Иногда исчезают прекрасные ИС. Если проявить настойчивость, то изготовитель может дать объяснение – «не было спроса» или что‑нибудь в этом роде. Этот случай можно квалифицировать так: «прекращение производства для удобства изготовителя». Мы столкнулись с серьезными трудностями, когда фирма Harris сняла с производства прекрасную схему НА4925, исчез великолепный счетверенный компаратор с очень высоким быстродействием и ничего не появилось ему взамен. Фирма Harris сняла также с производства схему НА2705 – бесследно исчезла еще одна замечательная ИС, самый быстродействующий микромощный ОУ. Иногда хорошую ИС снимают с производства в связи с изменениями в технологической линии, производящей подложки (увеличивается размер подложки ‑ вместо 3 дюймов устанавливают размер 5 или 6 дюймов). Мы уже заметили, что фирма Harris особенно любит прекращать производство очень хороших и уникальных ИС; тоже самое проделывали фирмы Intersil и GE.

3. Утеряны чертежи схем: В это трудно поверить, но иногда фирмы‑изготовители теряют чертежи какого‑либо кристалла и по этой причине прекращают его производство. Такая история произошла с 8‑каскадным делителем на КМОП‑транзисторах типа SSS‑4404 фирмы Solid State Systems.

4. У изготовителя нет заказов: это также относится к SSS‑4404!.

Если у вас есть уже разработанная плата, но нет никакой возможности достать нужную ИС, предлагаем вам следующие решения. Во‑первых, можно разработать плату заново (а может быть и схему) на основе ИС, имеющихся в наличии. Это, наверное, лучший выход из положения в случае, когда вы запускаете в производство новую плату или когда уже идет производство большой партии плат. Во‑вторых, можно разработать маленькую «дочернюю» плату, которая будет подключаться к пустому разъему вместо недостающей ИС и эмулировать ее работу. Хотя этот выход из положения нельзя назвать красивым, он полностью решает возникшую перед вами проблему.

 

* * *

К чему приводят ограничения, свойственные ОУ. Рассмотренные ограничения операционного усилителя влияют на параметры компонентов почти во всех схемах. Например, резисторы обратной связи должны быть достаточно большими, тогда они не будут существенно нагружать выход; вместе с тем, если они будут слишком большими, то входной ток смещения будет порождать ощутимые сдвиги. Кроме того, высокое сопротивление в цепи обратной связи повышает восприимчивость схемы к влиянию внешних наводок и увеличивает влияние паразитной емкости. Учитывая сказанное выше, для ОУ общего назначения обычно выбирают резисторы цепей ОС с сопротивлением от 2 до 100 кОм.

* * *