7.03. Пример схемы: прецизионный усилитель с автоматическим выбором нуля

Для иллюстрации предшествующих рассуждений мы спроектировали схему прецизионного декадного усилителя с автоматическим поиском начального уровня. Такое устройство позволяет зафиксировать некоторое значение входного сигнала и усиливать его последующие отклонения от этого уровня с коэффициентом, точно равным 10, 100 или 1000. Это окажется весьма удобным в эксперименте, при котором измеряется малое отклонение какой-нибудь величины (например, светопроницаемости или поглощения радиочастоты) при изменении условий эксперимента. Обычно трудно точно измерить малое изменение большого сигнала постоянного тока вследствие дрейфа и неустойчивости усилителя. В таком случае нужна схема с предельной прецизионностью и устойчивостью. Мы опишем методы и ошибки, которые мы допускали при проектировании этой конкретной схемы, в рамках общего описания процесса прецизионного проектирования и таким образом безболезненно изложим то, что иначе могло бы стать утомительным поучением. Одно предварительное замечание: заманчивой альтернативой к этой чисто аналоговой схеме могла бы стать цифровая аппаратура. (В следующих главах следите за захватывающими открытиями!). Проектируемая схема изображена на рис. 7.1.

Описание схемы.

Основа схемы - повторитель подключенный ко входу неинвентирующего усилителя с переключаемым коэффициентом усиления , выход которого смещается сигналом, приложенным к его неинвертирующему входу. Транзисторы и - это ПТ, они применяются как простые аналоговые ключи; используются для формирования необходимых уровней управления ключами от входного логического сигнала. Транзисторы можно заменить на реле или, если угодно, на выключатели. Можете представить их себе как простые однополюсные переключатели на одно направление .

В том случае когда логический входной сигнал имеет высокий уровень ("хранение"), ключи замкнуты и заряжает аналоговый конденсатор «памяти» до уровня, необходимого для поддержания нулевого выходного сигнала.

Рис. 7.1. Лабораторный усилитель постоянного тока с автоподстройкой нуля.

При этом схема не делает «никаких попыток» отслеживать быстрые изменения выходного сигнала, поскольку в применениях, для которых предназначена эта схема, все сигналы - постоянного тока, и некоторое сглаживание является желательным свойством. Когда ключ размыкается, напряжение на конденсаторе фиксируется, в результате чего выходной сигнал оказывается пропорциональным последующему отклонению входного сигнала.

Перед дальнейшим детальным объяснением принципов работы данной прецизионной схемы следует остановиться на ее некоторых дополнительных особенностях, включен в схему первого порядка компенсации тока утечки конденсатора СА; конденсатор имеет тенденцию медленно разряжаться через собственное сопротивление утечки (минимум 100 ТОм, т. е. постоянная времени около двух ); при этом ток утечки компенсируется небольшим зарядным током через , пропорциональным напряжению на .

(б) Вместо одинарного ПТ-ключа применены два ключа, которые соединены последовательно в «защищенное от утечки» устройство. Небольшой ток утечки в положении «выкл» проходит на землю через , поддерживая потенциал на всех выводах в пределах милливольт по отношению к земле. Так как нет сколько-нибудь заметного перепада напряжений на то нет и сколько-нибудь заметной утечки! (Подобные приемы см. в разд. 4.15 и на рис. 4.50.) (в) Запоминаемое напряжение с выхода ослабляется делителем напряжения на резисторах в соответствии с установленным коэффициентом усиления.

Это делается, чтобы избежать трудностей с динамическим диапазоном и точностью , так как ошибки дрейфа в схеме, запоминающей начальный уровень, не усиливаются на (подробности см. далее).