ГЛАВА 6. АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

§ 6.1. МАСШТАБНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Усилители, имеющие точное нормированное значение коэффициента усиления, называют масштабными. Иногда в их составе выделяют измерительные и электрометрические усилители.

Измерительные усилители относятся к числу прецизионных. Значения их параметров нормированы и в диапазоне рабочих частот и температур не выходят за пределы, оговоренные в технических условиях. Эти усилители применяют для масштабирования измерительных сигналов в системах получения и обработки информации.

Электрометрические усилители имеют высокое входное сопротивление (до Ом) и ничтожно малые входные токи. Их обычно применяют в устройствах, где требуется измерять электрические заряды или преобразовывать малые токи.

Выделение масштабных усилителей в специальный класс устройств несколько условно и характеризует только то, что к значениям их основных параметров и их стабильности предъявляют повышенные требования.

При их создании широко применяют ОУ, включенные по схеме рис. 5.29. Их количество и схемы соединения зависят от требований, предъявляемых к конкретному усилителю.

Рис. 6.1. Схемы усилителей на ОУ: а - не инвертирующею входной сигнал; о повюрителя напряжения; в усилителя переменного напряжения

Так как свойства ОУ, охваченных цепями ОС, подробно рассмотрены в § 5.6, в данном разделе будем считать ОУ идеализированным и пренебрегать его входным и выходным сопротивлениями . Также учтем, что дифференциальное напряжение между входами стремится к нулю, что справедливо только при . Эти допущения не вносят существенных погрешностей, позволяют быстро и легко определить параметры преобразования конкретного устройства. В случае прецизионных преобразователей, когда нельзя пренебрегать погрешностями, вносимыми вышеуказанными допущениями, анализ работы следует вести с учетом значений коэффициента усиления, входных и выходных сопротивлений. Подставив в (5.39) значения сопротивлений, получим

Входные и выходные сопротивления усилителей

Усилители (рис. 6.1, а) применяют или самостоятельно, или в составе сложных усилителей, когда требуется иметь повышенное входное сопротивление при значительном коэффициенте усиления по напряжению.

Повторители напряжения (рис. ) обычно используют во входных устройствах, в которых требуется иметь высокое входное сопротивление, или в случаях, когда необходимо получить минимальное выходное сопротивление.

Усилители, показанные на рис. 6.1, в, применяют для усиления переменных напряжений. У них введена -ная ОС по постоянному току, что гарантирует малые изменения выходного сигнала на постоянном токе, равные дрейфу напряжения смещения нуля . В то же время в полосе частот, в которой сопротивлением конденсатора С можно пренебречь, коэффициент усиления достаточно большой и его значение определяется только резисторами .

Эти усилители работают с синфазным входным сигналом, равным . Поэтому имеется дополнительная погрешность, определяемая коэффициентом ослабления синфазного сигнала . Из-за уменьшения при увеличении частоты она существенно больше в диапазоне повышенных частот.

Коэффициент усиления усилителя, у которого сигнал подан на инвертирующий вход, его входное и выходное сопротивления находят из уравнений (5.48), (5.49), (5.41):

Отсутствие синфазного входного сигнала и стабильные значения параметров делают эту схему предпочтительной для масштабирования напряжений. При этом следует учитывать, что последовательное включение более чем двух ОУ может привести к потере устойчивости. Это обусловлено тем, что выходные сопротивления ОУ не равны нулю и повышаются при увеличении частоты. Также увеличивается и дифференциальный входной сигнал на входе каждого ОУ из-за уменьшения . Поэтому могут создаться условия, когда выходной сигнал третьего ОУ, попадая через резисторы цепей ОС на вход первого, вызовет самовозбуждение усилителя. Когда используется много ОУ, включенных последовательно по схеме рис. 6.2, а, целесообразно между каждой парой устанавливать ОУ, выполненные по схеме рис. 6.1, а, б.

На основе схемы рис. 6.2, а можно выполнить суммирующее устройство рис. 6.2, б. В нем отсутствует взаимное влияние входных сигналов. Это происходит вследствие того, что инвертирующий вход имеет практически нулевой потенциал. Выходное напряжение такого ОУ

Рис. 6.2. Схемы усилителей на ОУ: а - инвертирующего входной сигнал; б - сумматора напряжений; в - вычитающего устройства

В рассмотренных схемах в цепи одного из входов обычно устанавливается сопротивление . Оно не влияет на коэффициент усиления и вводится, когда это необходимо для уменьшения изменений выходного напряжения, вызванных временными или температурными колебаниями входных токов. Сопротивление выбирают таким, чтобы эквивалентные сопротивления, подключенные к входам ОУ, были одинаковы. Если токи входов равны и изменяются на одинаковую величину, то создаваемые ими падения напряжения не создадут дифференциального сигнала и не вызовут дополнительного смещения нуля. В схемах рис. 6.1, а значения резисторов выбирают соответственно из условий: .

При одновременной подаче напряжения на оба входа получается вычитающий усилитель. Так как он линейный элемент, то при определении его параметров справедлив принцип наложения и для каждого входного сигнала справедливы уравнения (6.1), (6.7) для схем рис. 6.1, а и 6.2, а:

При выполнении условия

которое после преобразования примет вид , усилитель становится дифференциальным и усиливает разность напряжений, приложенных к входам:

При этом на его входах будет синфазный сигнал, равный . Он создает погрешность преобразования :

Рис. 6.3. Схема измерительного усилителя с дифференциальным входом

Прецизионные измерительные усилители часто выполняют дифференциальными. При этом схему включения выбирают такой, чтобы изменения выходных сигналов плеч взаимно вычитались. Такой подход достаточно эффективен, так как изменения выходных сигналов, вызванные нагревом близких по параметрам компонентов, в первом приближении одинаковы. Разность их близка к нулю. Примером измерительного усилителя с дифференциальным входом, высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала является схема рис. 6.3. В ней одинаковые ОУ представляют собой дифференциальный усилитель, имеющий высокое входное сопротивление. Схема их включения обеспечивает повышение Коссф. ОУ производит вычитание выходных сигналов ОУ и тем самым уменьшает влияние на выходной сигнал напряжения смещения нуля ОУ и синфазного входного напряжения. Для нахождения коэффициента усиления запишем очевидные уравнения для ОУ :

Преобразуем (6.12) с учетом того, что в таких усилителях резисторы равны: , а параметры компонентов выбирают так, чтобы . В результате этого

Если параметры ОУ выбраны так, что выполняется условие , то его выходное напряжение

Подставив в (6.14) значения ( и из (6.13), получим

Из (6.15) видно, что коэффициент усиления по напряжению зависит от сопротивлений и может легко регулироваться изменением значения . Влияние напряжений смещения нуля ОУ сравнительно невелико и полностью отсутствует при одинаковых и равных их изменениях. Напряжение смещения нуля ОУ никак не компенсируется, но его влияние на погрешности усиления невелико, так как сигналы, поступающие на входы этого ОУ, имеют большие значения.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала очень велик. Это обусловлено тем, что ОУ усиливает только разность напряжений и , вызванных синфазным сигналом. Поэтому при равных коэффициентах ослабления синфазного сигнала у ОУ подавление его на выходе ОУ будет практически полным.

При необходимости получить дифференциальный вход нагрузку подключают к точкам 1, 2 (рис. 6.3).

Если к усилителю подключается источник сигнала, не связанный гальванически с источником питания усилителя, то в цепи входов необходимо ввести сопротивления, обеспечивающие получение требуемых значений входных токов.

В электрометрических усилителях на входе устанавливают ОУ с высокими входными сопротивлениями, например , или вводят дополнительные входные дифференциальные каскады на полевых транзисторах. Для уменьшения токов утечек вывод входа такого усилителя окружается «охранным» кольцом. На него от низкоомного источника подается тот же потенциал, что и на вход усилителя (например, рис. 6.4). Образуется эквипотенциальная зона, в пределах которой ток не протекает даже при низкокачественной изоляции. К этому же источнику подключают оплетку кабеля, подводящего входной сигнал. При этом также уменьшается влияние собственной емкости кабеля, что важно при больших расстояниях до источника сигнала и имеет самостоятельное значение для усилителей других типов.

Рассмотрим некоторые из структур, применяемых на практике.

Местные и общие обратные связи позволяют реализовать широкополосные усилители, у которых погрешности коэффициента усиления не превышают долей процента. При необходимости получить более высокие точности приходится применять структурные методы уменьшения погрешностей.

Рис. 6.4. Уменьшение токов утечки во входной цепи

Рис. 6.5. Схема периодической компенсации дрейфа и смещения нуля

Периодическая компенсация дрейфа нуля используется в усилителях медленно изменяющихся сигналов (УПТ), там, где допустима «потеря» сигнала в течение промежутка времени, необходимого для компенсации. Необходимость в ее использовании обусловлена тем, что при любых схемных решениях не удается полностью устранить ни временной, ни температурный дрейфы выходного сигнала. К тому же вследствие наличия гальванических связей весь спектр низкочастотных шумов входных транзисторов равномерно усиливается и беспрепятственно проходит на выход. Эти шумы, имеющие характер инфранизкочастотных случайных колебаний выходного сигнала, иногда оказываются более опасными, чем температурный дрейф.

Для уменьшения дрейфа, смещения нуля и инфранизкочастотных шумов усилителей с непосредственными связями применяют периодическую коррекцию. Сущность ее поясним на примере усилителя, показанного на рис. 6.5. В усилитель дополнительно введены два ключа и конденсатор С, «запоминающий» значение напряжения смещения нуля . Усилитель поочередно работает в одном из двух режимов: в рабочем и в режиме запоминания компенсирующего напряжения.

В режиме запоминания ключи находятся в положении 2. При этом и напряжение на конденсаторе С

Отсюда

Таким образом, в режиме запоминания на конденсаторе С устанавливается напряжение , которое при достаточно высоком К стремится к напряжению смещения нуля.

В рабочем режиме ключи устанавливают в положение 1 и разность напряжений, действующая между входами усилителя, становится равной

Выходное напряжение

Из (6.19) видно, что в результате периодической коррекции смещение нуля уменьшается в . Для получения хороших результатов постоянную времени разрядки конденсатора С приходится выбирать большой, так чтобы во время рабочего режима компенсирующее напряжение существенно не изменилось. При этом входной ток усилителя, разряжающий конденсатор С, должен быть малым.

Эти ограничения исчезают при использовании вместо конденсатора С микросхем выборки — хранения. Их применение позволяет увеличить частоту коммутации ключей и уменьшить время, затрачиваемое на запоминание. Это приводит к существенному расширению в область высоких частот полосы пропускания усилителя.

Коррекция, осуществляемая с учетом отклонения оператора преобразования (коэффициента усиления) от номинального значения, основана на том, что с помощью высокостабильных и точных пассивных компонентов можно создать так называемые обратные преобразователи (ОП). Функция его передачи , где требуемая функция преобразования корректируемого устройства. Если такой прецизионный ОП подключить к выходу усилителя и сравнить его выходной сигнал с напряжением (током) на входе усилителя, то выделится разностный сигнал ошибки преобразования. Вводя его непосредственно во входную цепь усилителя или после усиления приблизительно в раз в выходную цепь можно существенно уменьшить погрешность устройства.

Выделим две основные группы структур, с помощью которых осуществляется коррекция. В первой вводится дополнительная обратная связь по сигналу погрешности преобразования. Во второй выделяется сигнал погрешности, который суммируется с основным усилением сигналом так, что усилитель не охвачен дополнительной обратной связью.

Идея работы структур первого типа поясняется рис. 6.6, а. В нем на выходе усилителя 1, коэффициент усиления которого , включен обратный преобразователь ОП. Коэффициент передачи его . Выходной сигнал ОП вычитается из входного сигнала в сравнивающем устройстве 3. Полученная разность усиливается усилителем 2 и суммируется с входным сигналом в сумматоре 4. Для данного усилителя можно записать ряд очевидных уравнений

Рис. 6.6. Структурная схема усилителя с уменьшенной погрешностью (а); принципиальная схема УПТ (б); схема замены высокоомного резистора (в); увеличение коэффициента усиления корректирующего усилителя за счет увеличения числа каналов (г)

Подставив (6.21) в (6.20), после преобразований получим

Член характеризует погрешность преобразования. Она будет тем меньше, чем больше коэффициент усиления . При небольших погрешностях, когда можно считать, что примет вид

При погрешность отсутствует и . Пример практической реализации данного способа коррекции приведен на рис. 6.6, б. С ее помощью уменьшены погрешности ОУ , возникающие при усилении медленно меняющихся сигналов. Роль ОП выполняет резистор , ОУ служит и усилителем 2, и сравнивающим устройством 3 (рис. 6.6, а).

Если ОУ усиливает сигнал в К раз и смещение нуля отсутствует, то токи резисторов , выбранных из условия , равны между собой:

Так как каждый из этих токов вызывает появление на выходе ОУ напряжения противоположной полярности, то результирующий сигнал равен нулю. Соответственно равно нулю напряжение на неинвертирующем входе ОУ и какое-либо влияние цепи коррекции отсутствует. Если коэффициент усиления ОУ отличается от требуемого значения или появляется дрейф нуля, равенство (6.24) нарушается. На выходе ОУ появляется сигнал, уменьшающий погрешность коэффициента усиления в соответствии с (6.22). Так как в данном усилителе преследуется цель свести к малым значениям погрешность усиления постоянных напряжений, то использован бездрейфовый ОУ , например типа МДМ, а в цепь его ОС включен конденсатор С. Этот конденсатор предотвращает самовозбуждение усилителей при большом коэффициенте усиления . Но в то же время он резко снижает полосу частот, в которой осуществляется коррекция. При наличии у ОУ и напряжений смещения нуля выходное напряжение, полученное аналогично рассмотренному, равно

(6.25)

Из (6.25) видно, что подобная коррекция эффективна только тогда, когда . Смещение нуля, вызванное , уменьшается в раз. Это позволяет при бездрейфовом ОУ получать большие усиления у ОУ , не заботясь о стабильности его нулевого сигнала. При этом вместо сопротивления , которое при большом получается неоправданно высоким, следует устанавливать цепочку рис. 6.6, в, состоящую из резисторов сравнительно небольших номиналов. Их значения берутся такими, чтобы выполнялось равенство

При .

которое получено исходя из условия сохранения неизменного значения входного тока ОУ .

В широкополосных усилителях, где усилитель 2 (рис. 6.6, а) должен иметь большую полосу пропускания, приходится использовать несколько каналов коррекции (рис. 6.6. г).

Каждый из них компенсирует погрешности выходного сигнала. Поэтому все ОП берутся одинаковыми и высокоточными. Усилитель каждого из каналов усиливает оставшуюся часть сигнала ошибки. Самое малое его значение приходится на долю усилителя. Результирующий коэффициент усиления в первом приближении равен . Такие многоканальные структуры позволяют использовать усилители коррекции с небольшими коэффициентами усиления и с хорошими частотными характеристиками. При этом обеспечиваются неплохие точностные показатели, приближающиеся к точностным показателям пассивных компонентов , и облегчается обеспечение устойчивости при больших коэффициентах усиления. Пример практической реализации такой структурной схемы приведен на рис. 6.7, б. В ней роль ОП выполняет резистор , который выбирают исходя из условия Кл. ОУ выполняет роль усилителя 2 и вычитающего устройства 3. Коэффициент его усиления определяется резисторами . Сумматор выполнен на ОУ . Для рассматриваемого случая .

Идея работы структур второго типа поясняется рис. 6.7, а. В них, так же как и у структур первого типа, имеется прецизионный обратный преобразователь ОП и вычитающее устройство 3. Совершенно аналогично осуществляется выделение сигнала погрешности преобразования.

Отличие заключается в том, что выделенный сигнал добавляется к входному (пунктир) или выходному сигналу так, что он не меняет характеристики преобразования усилителя 1. В этом случае дополнительная ОС не вводится и не возникает вопросов с обеспечением устойчивости. Однако к стабильности и значениям параметров усилителей 2 и 4 предъявляются повышенные требования.

Рис. 6.7. Структурная схема коррекции погрешности коэффициент усиления (а); принципиальная схема усилителя (б)

Сущность такой коррекции покажем на примере, когда дополнительный сигнал вводится в выходную цепь, т. е. имеется усилитель 2, а усилитель 4 отсутствует. Пусть требуется получить усилитель с коэффициентом усиления К. Усилитель 1 имеет коэффициент усиления Параметры усилителя 2 близки к параметрам усилителя . Выходное напряжение

где

Преобразовав (6.28) с учетом значений , получим

Из (6.29) видно, что погрешность усилителя определяется членом . Она тем меньше, чем больше значение К и меньше отклонения от него . Пример практической реализации такой структурной схемы приведен на рис. 6.7, б. В ней роль ОП играет резистор , который выбирают исходя из условия . ОУ выполняет роль усилителя 2 и вычитающего устройства 3. Коэффициент его усиления определяется резисторами .

Сумматор выполнен на ОУ . Для рассматриваемого случая . С целью увеличения эффективности вводят дополнительные каналы, аналогичные рассмотренному. При этом следующий ОП подключается к выходу показанного усилителя, а за ним включается следующий сумматор. При нескольких каналах и высококачественных сумматорах может быть получена ничтожно малая погрешность.

В случае введения сигнала во входную цепь усилитель 4 должен иметь единичный коэффициент усиления. При этом также справедливо уравнение (6.29), но результирующая погрешность оказывается значительно больше из-за погрешностей сумматора. Абсолютная устойчивость данных структур является их важным преимуществом.

Таким образом, построение высокоточных усилителей представляет собой серьезную техническую проблему, при решении которой используются различные схемотехнические приемы и структурные способы улучшения параметров и характеристик.