Температурная компенсация усиления.

Транзистор Т₂ компенсирует изменения падения напряжения U_бэ в транзисторе Т₁, связанные с изменением температуры окружающей среды, однако изменение наклона графика зависимости напряжения U_бэ от тока I_к не компенсируется. В разд. 2.10 мы установили, что зависимость «60 мВ/декада» пропорциональна абсолютной температуре. Выходное напряжение в нашей схеме иллюстрируется графиком, представленным на рис. 4.36.

 

 

Рис. 4.36.

 

Идеальная компенсация обеспечивается в том случае, когда входной ток равен I₀ – коллекторному току транзистора Т₂. Изменение температуры на 30 °C вызывает изменение угла наклона графика на 10 % и сопровождается появлением соответствующей ошибки в выходном напряжении. Единственный выход из положения состоит в том, чтобы заменить резистор R₂ последовательным соединением обычного резистора и резистора с положительным температурным коэффициентом. Зная температурный коэффициент резистора (например, температурный коэффициент резистора типа TG1/8 фирмы Texas Instruments равен +0,67 %/°С), можно определить сопротивление обычного резистора, который при последовательном соединении обеспечит идеальную компенсацию. Например, к только что упомянутому резистору типа TG1/8 с сопротивлением 2,7 кОм следует последовательно подключить резистор с сопротивлением 2,4 кОм.

Промышленность выпускает несколько интегральных логарифмических преобразователей. Они обладают очень хорошими характеристиками и имеют внутреннюю температурную компенсацию. Среди фирм‑изготовителей назовем Analog Devices, Burr‑Brown, Philbrick, Intersil и National Semiconductor.

_{Упражнение 4.7. Дополните схему логарифмического преобразователя следующими элементами: а) внешним источником входного тока; б) цепью температурной компенсации с использованием резистора типа TG1/8 (с температурным коэффициентом, равным +0,67 %/°С). Подберите компоненты таким образом, чтобы относительное изменение выходного напряжения составляло U вых = +1 В на декаду. Предусмотрите возможность управления выходным сдвигом, которая позволяла бы при любом входном токе устанавливать нулевое значение для U вых (путем смещения инвертирующего усилителя, а не за счет регулировки тока I o).}

 

 

Активный пиковый детектор

 

Во многих практических случаях требуется определить пиковое значение входного колебания. В простейшем случае для этой цели можно использовать диод и конденсатор (рис. 4.37).

 

 

Рис. 4.37.

 

Наибольшее значение входного колебания заряжает конденсатор, который сохраняет заряд до тех пор, пока диод смещен в обратном направлении. Этот метод имеет серьезные недостатки. Входной импеданс является переменной величиной, и в момент пиков входного колебания он очень мал. Кроме того, из‑за падения напряжения на диоде эта схема нечувствительна к пикам, меньшим 0,6 В, а для больших пиков она дает ошибку (на величину падения напряжения на диоде). Более того, падение напряжения на диоде зависит от температуры и протекающего через диод тока, а это значит, что погрешность схемы зависит от температуры окружающей среды и скорости изменения выходного напряжения; напомним, что I = C (dU / dt). Использование на входе эмиттерного повторителя позволяет избавиться только от первого из перечисленных недостатков. На рис. 4.38 показана улучшенная схема, в которой используется обратная связь.

 

 

Рис. 4.38. Пиковый детектор на основе ОУ.

 

Если напряжение обратной связи снимать с конденсатора, то падение напряжения на диоде не создаст никаких проблем. На рис. 4.39 представлен возможный вид выходного колебания.

 

 

Рис. 4.39.

 

Ограничения, присущие операционному усилителю, сказываются на этой схеме двояко: а) Конечная скорость нарастания ОУ порождает проблемы даже для относительно медленно меняющихся входных сигналов. Для большей ясности отметим, что выход ОУ попадает в отрицательное насыщение, когда вход усилителя имеет менее положительный потенциал, чем выход (постарайтесь изобразить напряжение ОУ в виде графика; не забудьте о прямом падении напряжения на диоде). Итак, выход ОУ должен стремиться к величине выходного напряжения (плюс падение напряжения на диоде) тогда, когда входной сигнал начинает превышать уровень выходного. При скорости нарастания S это можно грубо описать выражением (U_вых – U_)/ S, где U_ – отрицательное напряжение питания, U_вых ‑ выходное напряжение, б) Входной ток смещения вызывает медленный разряд конденсатора (или его заряд в зависимости от знака смещения). Это явление называют иногда «утечкой заряда» и для того, чтобы избежать его, лучше всего использовать ОУ с очень малым током смещения. По той же причине и диод следует подбирать таким образом, чтобы он имел малую утечку (например, можно использовать диод типа FJT1100, обратный ток которого не превышает 1 пА при напряжении 20 В, или «полевой диод» типа PAD‑1 фирмы Siliconix или типа ID101 фирмы Intersil); выходные каскады ОУ должны иметь больший импеданс (лучше всего использовать ОУ на полевых транзисторах или ОУ со входами на полевых транзисторах, в) Максимальный выходной ток ОУ ограничивает скорость изменения напряжения на конденсаторе, иначе говоря, скорость, с которой сигнал на выходе отслеживает изменение сигнала на входе. Поэтому при выборе конденсатора приходится идти на компромисс между скоростью утечки заряда и скоростью нарастания выходного напряжения.

Пусть, например, в этой схеме использован ОУ типа 741 (такой выбор нельзя назвать удачным из‑за большого тока смещения, который имеет этот усилитель), тогда конденсатор емкостью 1 мкФ будет иметь утечку заряда dU / dt = I_см / С = 0,08 В/с, а возможная скорость изменения напряжения на выходе составит всего dU / dt = I_вых / С = 0,02 В/мкс. Эта максимальная скорость значительно меньше, чем скорость нарастания ОУ, равная 0,5 В/мкс, так как она ограничена максимальным выходным током, равным 20 мА, который заряжает конденсатор емкостью 1 мкФ. Если уменьшить емкость, то можно получить большую скорость нарастания на выходе за счет большой утечки заряда. С практической точки зрения в качестве входного усилителя мощности и выходного повторителя гораздо лучше выбрать ОУ типа LF355 со входами на полевых транзисторах (ток смещения равен 30 пА, выходной ток – 20 мА) и взять конденсатор, имеющий емкость С = 0,01 мкФ. При таком сочетании компонентов утечка будет составлять всего 0,006 В/с, а скорость нарастания для схемы в целом будет равна 2 В/мкс. Еще лучше характеристики получатся, если взять ОУ на полевых транзисторах типа ОРА111 или AD549, для которых входной ток не превышает 1 пА. Характеристики схемы может ухудшить утечка самого конденсатора, даже если используются очень высококачественные конденсаторы, например полистироловые или поликарбонатные (см. разд. 7.05).

Схемные средства устранения влияния утечки диода. Очень часто разумно построенная схема помогает разрешить проблемы, создаваемые отклонениями схемных компонентов от идеальных. Такой способ преодоления трудностей, с одной стороны, доставляет удовольствие разработчику, а с другой – дает экономический эффект. Рассмотрим здесь некоторые примеры (этим вопросам посвящена гл. 7).

Допустим, нам нужен высококачественный пиковый детектор, обладающий максимальным отношением скорости нарастания на выходе схемы к спаду вершины импульса. Если в схеме пикового детектора использованы ОУ с самыми малыми входными токами (в некоторых ОУ ток смещения равен всего 0,01 пА), то спад вершины импульса будет определяться утечкой диода, так как токи утечки самых хороших диодов (см. табл. 1.1) превышают столь малые токи смещения ОУ. На рис. 4.40 показана разумно составленная схема.

 

 

Рис. 4.40.

 

Как и прежде, напряжение на конденсаторе повторяет входное колебание на интервале его увеличения: интегральная схема ИС₁ заряжает конденсатор через оба диода, а выходное напряжение схемы ИС₂ не оказывает на этот процесс никакого влияния. Когда значение входного напряжения становится меньше пикового, ИС ₁ переходит в режим насыщения, а ИС₂ поддерживает напряжение в точке X равным напряжению на конденсаторе и полностью устраняет утечку в диоде Д₂. Небольшой ток утечки диода Д₁ протекает через резистор R₁ и создает на нем пренебрежимо малое падение напряжения. Безусловно, оба ОУ должны иметь очень малые токи смещения. Неплохо остановить свой выбор на ОУ типа ОРА111В, в котором высокая точность (U _см = 250 мкВ, максимальное значение) сочетается с небольшим входным током (1 пА, максимальное значение). Эта схема является аналогом схемы защиты, используемой для высокоомных или малосигнальных измерений. Отметим, что входные ОУ в рассмотренных схемах пиковых детекторов большую часть времени находятся в режиме отрицательного насыщения и выходят из него, только при условии, что уровень сигнала на входе превысил пиковое напряжение, сохраненное конденсатором. Однако, судя по схеме активного выпрямителя (разд. 4.10), выход из насыщения может занять существенное время (например, для схемы типа LF411 он составляет 1–2 мкс). В связи с этим может получиться так, что круг ваших интересов будет ограничен только операционными усилителями с высокой скоростью нарастания.

Сброс пикового детектора. На практике обычно желательно тем или иным способом производить сброс выхода пикового детектора. Один из способов состоит в подключении к выходу схемы резистора, благодаря которому напряжение на выходе затухает с постоянной времени RC. При этом схема «запоминает» только последние пиковые значения. Более совершенный способ состоит в подключении к конденсатору С транзисторного переключателя; выход схемы сбрасывается в нуль за счет поданного на базу короткого импульса. Как показано на рис. 4.38 к конденсатору можно подключить n ‑канальный полевой МОП‑транзистор; в тот момент, когда потенциал затвора становится положительным, конденсатор сбрасывается в нуль.

 

 

4.16. Выборка‑запоминание

 

Схеме детекторного повторителя близка схема выборки‑запоминания. Эти схемы широко распространены в цифровых системах, где требуется осуществлять преобразование аналоговых напряжений в цифровые значения, с которыми работает компьютер. Чаще всего производится захват и фиксация напряжения (напряжений), само же преобразование выполняется в дальнейшем. Основными компонентами схемы выборки‑запоминания являются операционный усилитель и переключатель на полевом транзисторе; суть схемы поясняет рис. 4.41, а).

 

 

ИС₁ – это повторитель, предназначенный для формирования низкоомного отображения входного сигнала. Транзистор Т₁ пропускает сигнал во время «выборки» и блокирует его прохождение в момент «запоминания». Конденсатор С запоминает сигнал таким, как он был в момент выключения транзистора Т₁. ИС₂ – это повторитель с большим входным импедансом (со входами на полевых транзисторах), благодаря чему минимизируется ток через конденсатор во время «запоминания».

Величина С выбирается, исходя из компромисса: ток утечки в Т₁ и повторителе вызывает спад напряжения на конденсаторе С во время запоминания в соответствии с выражением dU / dt = I_утечки / С. В связи с этим для минимизации спада конденсатор С должен быть большим. Однако, сопротивление транзистора Т₁ во включенном состоянии образует в сочетании с конденсатором С фильтр низких частот. В связи с этим конденсатор С должен быть небольшим, тогда высокочастотные сигналы не будут искажаться. ИС₁ должна обеспечивать ток заряда конденсатора C – I = CdU / dt и должна обладать достаточной скоростью нарастания для повторения входного сигнала. На практике скорость нарастания всей схемы обычно ограничивается выходным током ИС₁ и сопротивлением транзистора Т₁ во включенном состоянии.

_{Упражнение 4.8. Допустим, что схема ИС1 дает выходной ток, равный 10 мА; С = 0,01 мкФ. При какой максимальной скорости нарастания сигнала на входе схема может в точности повторять входной сигнал? Чему равна выходная ошибка, если сопротивление транзистора Т1 во включенном состоянии составляет 50 Ом, а входной сигнал нарастает со скоростью 0,1 В/мкс? Чему равна скорость спада в состоянии «запоминания», если ток утечки транзистора Т1 и ИС2 составляет 1 нА?}

 

Как в схеме выборки‑запоминания, так и в схеме пикового детектора ОУ управляет емкостной нагрузкой. При разработке подобных схем помните, что для них нужен ОУ, обладающий стабильностью при единичном коэффициенте усиления и емкостной нагрузке. Некоторые ОУ (например, типа LF355/6) предназначены специально для работы непосредственно на большую емкостную нагрузку (0,01 мкФ). Другие практические приемы мы обсудим в разд. 7.07 (см. рис. 7.17).

Разрабатывать схемы выборки‑запоминания нет необходимости, т. к. промышленность выпускает прекрасные ИС, которые включают в себя все необходимые элементы за исключением конденсатора. Широко используется схема типа LF398 фирмы National; в недорогом корпусе с 8 выводами заключен переключатель на полевом транзисторе и два ОУ. Рис. 4.41, б), показывает, как воспользоваться этой схемой. Обратите внимание, что петля обратной связи охватывает оба ОУ.

 

 

Рис. 4.41. Схема выборки‑запоминания. а – стандартная конфигурация, форма сигнала утрирована; б – интегральная схема LF398 – схема выборки‑запоминания на одном кристалле.

 

Существует множество интегральных схем выборки‑запоминания, обладающих характеристиками, лучшими, чем у LF398; например, схема типа AD585 фирмы Analog Devices включает в себя внутренний конденсатор и гарантирует максимальное время захвата 3 мкс при точности 0,01 % для сигнала в виде ступени величиной 10 В.

* * *