Расчет и измерение напряжения смещения операционного усилителя

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Трундов А.В.
РАСЧЕТ И ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Существуют различные методы измерения параметров операционных усилителей (ОУ). Для выбора оптимального метода измерения необходим их анализ. Одним из способов анализа является расчет параметров ОУ, который может проводиться на основе полной линейной модели [1], представленной на рисунке 1.
Рис. 1. Линейная модель операционного усилителя
С помощью данной эквивалентной схемы ОУ можно рассчитать следующие параметры ОУ, входящие в макромодель Бойла [2]: напряжение смещения ОУ- максимальное выходное напряжение ОУ-
коэффициент ослабления синфазной составляющей входного напряжения ОУ-
входное сопротивление ОУ-
средний входной ток ОУ-
выходное сопротивление ОУ-
коэффициент усиления ОУ.
инвертирующей и
Для измерения параметров ОУ возможно построение двух видов схем неинвертирующей. Эквивалентные электрические схемы и их модели представлены на рисунке
2.
Рис. 2. Схема инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) включения ОУ.
Для упрощения математических расчетов будем пренебрегать составляющими, относящимися к синфазным погрешностям, так как значения резисторов р- р + в десятки раз пре-
^СИНФ'^СИНФ
вышают значение
я
соответствует напряжению смещения ОУ. Также прене-
-д -ОШ
брегаем напряжением сдвига ОУ, напряжением дрейфа и шумовыми напряжениями.
Одним из важнейших параметров ОУ является напряжение смещения. Данный параметр влияет на точность схем с использованием ОУ, работающих в режиме усиления малых напряжений постоянного тока. Расчет напряжения смещения для инвертирующего включения ОУ проводится в соответствии с эквивалентной электрической схемой, представленной на рисунке
3.
Рис. 3. Эквивалентная электрическая схема и ее модель для инвертирующего включения ОУ.
Для более точного измерения напряжения смещения ОУ необходимо максимально уменьшить падение напряжения на резисторе ^
Д
Таким образом, при расчете значения ТТ можно бу-
ТСМ
дет пренебречь напряжением б
Д
Из эквивалентной электрической схемы видно,
Тд Ед+Тсм '-
(1)
где ЕД падение напряжения на входном резисторе ОУ, Исм — напряжение смещения ОУ, и
Д
напряжение на инвертирующем входе ОУ. Напряжение на выходе ОУ равно:
ивых=- к- ед ¦
(2)
где К — коэффициент усиления напряжения ОУ без обратной связи. Также выходное напряжение можно рассчитать по формуле:
— и0
(3)
Из этих выражений видно, что минимальное напряжение е можно получить при нулевом
ЕД
входном напряжении и коэффициенте усиления схемы с обратной связью равном -1. В итоге получится схема инвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления, показанная на рисунке 4.
Рис. 4. Из (1)
Схема измерения напряжения смещения ОУ в инвертирующем включении
видно, что при стремлении
Б.
к нулю, напряжение на инвертирующем входе ОУ
равно напряжению смещения. Выходное ется из выражения:
напряжение при неинвертирующем включении определя-
и
Я2
(4)
выходное напряжение равно: (5)
ВЫХ ^ ^СМ
Необходимо помнить, что в расчете не учитываются синфазные, температурные и шумовые составляющие входного напряжения, поэтому при реализации измерительной схемы необходимо уделить особое внимание устранению перечисленных составляющих погрешности измерения. Сопротивление резистора ^ должно превышать значение выходного сопротивления ОУ
не менее чем в 100 раз для обеспечения минимальной погрешности измерения. Учитывая, что максимальное значение выходного сопротивления отечественных ОУ не превышает 500
Ом, значение сопротивления резистора ^ должно быть не менее 50 кОм.
Измерение напряжения смещения лучше проводить на выходе ОУ, так как подключение измерительных приборов к суммирующей точке ОУ может привести к увеличению погрешности измерения из-за влияния емкости измерительного прибора на вход ОУ. Но в этом случае точность измерения напряжения смещения буд ет определяться точностью прецизионных резисторов. Зависимость погрешности измерения от точности резисторов является недостатком данной схемы.
При измерении напряжения смещения по приведенной выше схеме для одного из образцов ОУ КР5 4 4УД2А получилось, что напряжение на выходе ОУ составило 17. 4 мВ, а напряжение н, а инвертирующем входе ОУ, равное напряжению смещения, составило 8.8 мВ. При расчете напряжения смещения исходя из измеренного значения выходного напряжения получилось
и = 87 В — При построении схемы использовались резисторы с точностью 5%.
СМ 5
Расчет напряжения смещения для неинвертирующего включения ОУ проводится в соответствии с эквивалентной электрической схемой, представленной на рисунке 5.
Рис. 5. Эквивалентная электрическая схема и модель для неинвертирующего включения
ОУ
Выражение для расчета выходного напряжения в соответствии с выше представленной схемой имеет следующий вид:
и = и + Е — (6)
и вых и см ^ Ед
Напряжение е будет минимальным при равенстве нулю напряжения на неинвертирующем ЕД
входе ОУ и будет определяться из выражения:
Е = ИВЫТХ = иСМ + ЕД. (7)
И + Е
И^/Г ~ ЕП
Д
К
К
Из (7) видно, что
ИСМ — К ЕД ¦
(8)
Е
Д '-
К
Из (9) можно сделать вывод, что разность напряжений между входами ОУ меньше значения напряжения смещения в число, соответс твующее коэффициенту усиления ОУ без обратной связи. Для отечественных ОУ минимальный коэффициент усиления составляет 5000, поэтому, можно сделать вывод, что напряжение Е оказывает очень малый вклад в выходное напряже-
Е Д
ние и его значением можно пренебречь практически без увеличения погрешности измерения.
В данной схеме, как и в предыдущей, не применяются схемотехнические меры по снижению погрешности измерения, обусловленной шумами и темпера турными сдвигами напряжения. Поэтому необходимо конструктивно обеспечить минимальный уровень шумов, наводок и уменьшить влияние температуры. Схема измерения напряжения смещения приведена на рисунке 6.
или
Рис. 6. Схема измерения напряжения смещения ОУ в неинвертирующем включении
При измерении напряжения смещения данным способом для ОУ КР544УД2А (который использовался ранее) получилось значение 8.8 мВ, которое совпадает со значением напряжения смещения, измеренным в схеме инвертирующего усилителя с единичным коэффициентом усиления.
Схема измерения напряжения смещения, представленная на рисунке 6, не содержит резисторов и позволяет производить измерение напряжения непосредственно на выходе ОУ. Этим она выгодно отличается от схемы, представленной на рисунке 4.
ЛИТЕРАТУРА
1. Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. — 512 с., ил.
2. Алексенко А. Г., Зуев Б. И. Макромоделирование интегральных схем операционных усилителей: Зарубежная радиоэлектроника, 1977.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой