Проектирование схем с операционными усилителями

Схемы с операционными усилителями (ОУ) имеют много преимуществ. Они гораздо проще версий на основе дискретных элементов, но могут создать у неопытных проектировщиков ряд проблем.

Операционные и измерительные усилители чрезвычайно полезны и, казалось бы, легко применимы в схемах. Вот только часто из-за незначительных упущений при проектировании такой схемы упускаются из виду некоторые основные проблемы, которые приводят к тому, что схема работает не так как ожидалось или не работает вообще. Давайте обсудим некоторые из наиболее распространенных проблем с ОУ, а также предложения по решению каждой из них.

Отсутствие обратного пути постоянного тока для входного тока смещения в схемах с входной связью по переменному току.

Одной из наиболее распространенных проблем возникающих при работе с операционными усилителями, является отсутствие обратного пути постоянного тока для входного тока смещения в схемах с входной связью по переменному току. На рисунке входной конденсатор соединен последовательно с неинвертирующим «+» входом ОУ. Это простой способ блокировки постоянного напряжения, связанного с входным напряжением (VIN), и он должен быть особенно полезен в устройствах с высоким коэффициентом усиления, где даже небольшое постоянное напряжение на входе усилителя может ограничить используемый динамический диапазон и даже насытить выходной сигнал. Но емкостная связь с входом с высоким сопротивлением без обеспечения пути для постоянного тока к входу «+» может привести к проблемам с производительностью.

Схема ввода переменного тока без обратного пути постоянного тока

В реальной входной цепи входной ток смещения будет протекать через разделительный конденсатор, заряжая его до тех пор, пока не будет превышено входное синфазное напряжение операционного усилителя или предел выходного напряжения. В зависимости от полярности входного тока смещения конденсатор будет заряжаться в сторону положительного или отрицательного напряжения питания. Напряжение смещения усиливается усилением постоянного тока усилителя с обратной связью.

Этот процесс может занять много времени. Например, в усилителе со входом на полевом транзисторе при токе смещения в пикоамперы, подключенном через конденсатор емкостью 0,1 мкФ, напряжение на входной емкости будет возрастать со скоростью (I/C = 10- 12/10-7) равно примерно 10 мкВ/с, это 600 мкВ в минуту. Если усиление этого ОУ равно 100 В/В, то дрейф напряжения на выходе из-за зарядки входной емкости будет около 0,06 В/мин. Этого недостаточно для обычных лабораторных испытаний, особенно при использовании осциллографа со связью по входу переменного тока. Поэтому при тестах эту проблему не обнаружить, и схема выйдет из строя только после, например, нескольких часов работы. И крайне важно полностью избежать данной проблемы.

На рисунке далее показано простое решение. Дополнительный резистор подключен между входом операционного усилителя и землей, чтобы обеспечить путь для отвода входного тока смещения. Для минимизации выходных напряжений смещения, вызванных входными токами смещения, R1 обычно выбирают равным параллельному соединению резисторов R2 и R3.

Правильный способ подключения входа со связью по переменному току в схеме с симметричным питанием

Обратите внимание, что этот резистор всегда будет вносить дополнительный шум в схему, поэтому его окончательный выбор является компромиссом между входным сопротивлением схемы, размером требуемого входного разделительного конденсатора и шумом Джонсона, добавляемым этим резистором. Типичные значения резисторов R1 обычно находятся в диапазоне примерно от 100 кОм до 1 МОм.

Нефункциональные примеры измерительных усилителей с емкостно-связанными входами и источником питания: а) симметричный, b) несимметричный

Аналогичная проблема может повлиять на работу схемы с входным усилителем. Рисунок показывает применение этого типа усилителя с емкостными входами. Эти схемы не обеспечивают обратного пути для тока смещения входов усилителя. Эта проблема возникает со схемами усилителя, использующими как двойные (рис. 3а), так и одинарные (рис. 3b) источники питания.

Нефункциональный пример схемы с измерительным усилителем, подключенным через трансформатор

Эта проблема также может возникнуть в измерительных схемах, подключенных к источнику сигнала с помощью трансформатора, если цепь вторичной обмотки не имеет цепи постоянного тока на землю. Простейшее решение представлено на рисунках ниже. Так же, как и для операционного усилителя, добавьте цепь постоянного тока от входов к земле или другому напряжению. Поэтому в этих схемах добавляют резисторы (RA, RB) между вводами и землей (для схем с симметричным питанием) или напряжением VCM (для схем с несимметричным питанием). Это может быть любое напряжение между землей и источником питания, но для максимальной динамики это напряжение должно быть равно половине напряжения питания. Тот же подход можно использовать для вводов с трансформаторной связью.

Высокоомные резисторы, включенные между входами измерительного усилителя и общей точкой: а) заземление для схем с симметричным питанием, b) напряжение VCM для схем с одинарным напряжением питания

В показанных схемах будет небольшая ошибка напряжения смещения из-за несоответствия между резисторами и входными токами смещения. Чтобы свести к минимуму такие ошибки, между двумя входами усилителя можно подключить третий резистор, примерно равный 1/10 сопротивления RA и RB (но все же большой по сравнению с дифференциальным сопротивлением источника), шунтировав оба резистора.

Правильный способ подключения разделительного трансформатора ко входу измерительного усилителя

Обеспечение опорного напряжения для операционных усилителей, измерительных усилителей и аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

На рисунке показана схема с одним напряжением, в которой входной усилитель управляет асимметричным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Опорное напряжение усилителя обеспечивает напряжение смещения, соответствующее нулевому дифференциальному входу, а опорное напряжение АЦП обеспечивает коэффициент масштабирования. Простой RC-фильтр нижних частот сглаживания, часто используется между выходом усилителя и входом АЦП, которым он управляет, чтобы уменьшить внеполосный шум.

Усилитель управляет АЦП по типичной схеме с одним напряжением

У разработчиков часто возникает соблазн использовать простые решения, такие как резистивные делители, для получения опорных напряжений в усилителе и АЦП. Это может привести к ошибкам с некоторыми входными усилителями.

Правильное подключение опорного напряжения к измерительному усилителю.

Есть предположение, что вход опорного напряжения в усилителе имеет высокое сопротивление, потому что он обрабатывается как любой другой вход. Поэтому у проектировщика может возникнуть соблазн подключить к нему источник напряжения с высоким сопротивлением, например резистивный делитель. Но это может привести к серьезным ошибкам с некоторыми типами входных усилителей. Давайте рассмотрим популярную конфигурацию усилителя, в которой используются три ОУ, подключенных, как показано на рисунке ниже.

Неправильное использование простого делителя напряжения для прямого управления выводом опорного напряжения входного усилителя (состоящего из 3 операционных усилителей)

Коэффициент усиления для опорного входа (при работе от источника с низким сопротивлением) равен единице. Но в представленном случае опорный вывод измерительного усилителя напрямую подключен к простому делителю напряжения. Это вызывает дисбаланс симметрии схемы вычитателя и коэффициента деления делителя напряжения, что снижает синфазное затухание усилителя и влияет на его точность. Однако если удастся уменьшить значение сопротивления R4 на величину, равную сопротивлению полученному в результате параллельного размещения делителя напряжения (50 кОм в схеме), то такая схема будет вести себя как источник напряжения с низким сопротивлением, равным в данном примере половине напряжения питания.

Этот подход нельзя использовать если усилитель поставляется как закрытый отдельный компонент (интегральная микросхема). Другой вопрос, что температурные коэффициенты резисторов в делителе напряжения должны соответствовать коэффициентам TWR R4 и других резисторов в ветви вычитания. Такой подход также блокирует возможность изменения опорного напряжения.

С другой стороны, если попытаться использовать малые номиналы резисторов в делителе напряжения, пытаясь сделать добавочное сопротивление незначительным, это увеличит потребляемый ток от источника питания и увеличит уровень рассеиваемой мощности. Такой подход далек от оптимального и не рекомендуется в проекте.

Управление выводом опорного напряжения входного усилителя от низкоомного источника

Рисунок выше показывает лучшее решение, использующее маломощный буфер ОУ между делителем напряжения и опорным входом входного усилителя. Это устраняет проблему согласования сопротивления и отслеживания температуры, а также позволяет легко регулировать опорное напряжение.

Как сохранить PSRR операционного усилителя, используя напряжение питания в качестве опорного напряжения.

Часто упускается из виду тот факт, что любые шумы, переходные процессы или дрейфы напряжения питания VS, подаваемые опорным входом, добавляются непосредственно к выходному напряжению, подавляясь только коэффициентом делителя опорного напряжения. Практические решения включают в себя различные типы полосовых фильтров или стабилизаторов опорного напряжения, например, использование прецизионного ADR121, вместо простого делителя на линии VS.

Этот вопрос очень важен при проектировании схем, содержащих как измерительные, так и операционные усилители. Методы подавления напряжения питания используются для изоляции усилителя от помех в силовой области: гула сети, шумов и любых переходных изменений напряжения возникающих на шинах питания. Это важно, так как существует множество реальных схем, которые работают в средах с далеко не идеальными напряжениями питания. Кроме того, сигналы переменного тока, присутствующие в силовых кабелях, могут поступать обратно в схему, усиливаться и при соответствующих условиях стимулировать паразитные колебания.

Современные ОУ и входные усилители в своей конструкции обеспечивают значительное ослабление низкочастотных шумов. Это то, что большинство инженеров-электронщиков считают само собой разумеющимся. Многие современные операционные усилители и входные усилители имеют спецификацию подавления помех источника питания (PSRR) от 80 дБ до более 100 дБ, что снижает влияние колебаний сетевого напряжения в 10 000 – 100 000 раз. Но конденсаторы для фильтрации высокочастотных помех всё-равно всегда желательны в схеме.

Кроме того, в схеме используется простой резистивный делитель на шине питания и буфер ОУ для подачи опорного напряжения на усилитель. Любые изменения напряжения проходят через эту цепь с небольшим затуханием и добавляются непосредственно к уровню выходного напряжения усилителя. Таким образом, если здесь не добавить соответствующий фильтр нижних частот, высокий уровень PSRR встроенного усилителя будет значительно снижен.

На рисунке далее к делителю напряжения добавлен большой конденсатор для фильтрации колебаний напряжения на его выходе и поддержания высокого значения PSRR схемы. Полюс –3 дБ этого фильтра нижних частот образован параллельной комбинацией резисторов R1 и R2 и емкостью конденсатора C1. Этот полюс должен быть установлен примерно в 10 раз ниже, чем самая низкая анализируемая частота в схеме. Показанные значения по умолчанию обеспечивают фильтрацию примерно с частотой 0,03 Гц. Небольшой (0,01 мкФ) конденсатор на резисторе R3 минимизирует шум резистора.

Управление выводом опорного напряжения входного усилителя от низкоимпедансного источника — операционного усилителя

Зарядка фильтра займет некоторое время. При предложенных значениях время нарастания на эталонном входе составляет несколько постоянных времени (где T = R3Cf = 5 секунд для этих значений) или около 10 – 15 секунд.

Схема на следующем рисунке предлагает дальнейшее улучшение производительности. Тут буфер операционного усилителя действует как активный фильтр, что позволяет использовать конденсаторы гораздо меньшего размера с фильтрацией того же напряжения. Кроме того, активный фильтр может быть спроектирован таким образом, чтобы обеспечивать большую эффективность и более быстрое включение фильтра. С показанными значениями компонентов и приложением 12 В к усилителю было приложено отфильтрованное опорное напряжение 6 В. Синусоидальная волна 1 В от пика до пика использовалась для модуляции источника питания 12 В с коэффициентом усиления единица. В этих условиях, когда частота падала, на осциллографе, на VREF или на выходе усилителя не было видно сигнала переменного тока вплоть до примерно 8 Гц.

Буфер операционного усилителя, подключенный как активный фильтр, управляет выводом опорного напряжения в измерительном усилителе

Измеренный диапазон напряжения для этой схемы составлял от 4 вольт до более чем 25 вольт при низком входном сигнале усилителя. Время активации схемы составляло около 2 секунд.

Фильтрация питания ОУ у схемы с несимметричным питанием.

Схемы ОУ с одним источником питания требуют синфазной входной полярности для обработки положительных и отрицательных колебаний сигнала переменного тока на входе. Когда это напряжение смещения подается от шины питания через делитель напряжения, требуется надлежащая фильтрация этого напряжения для поддержания высокого PSRR схемы, аналогично тому, что было описано ранее.

Распространенной, но не правильной практикой, является использование резисторного делителя из двух резисторов по 100 кОм с фильтрующим конденсатором 0,1 мкФ для подачи напряжения смещения VS/2 на неинвертирующий вход ОУ. При этих значениях фильтрация источника питания часто недостаточна, так как частота полюсов составляет всего 32 Гц. Часто возникает нестабильность цепи, особенно при включении индуктивных нагрузок.

Схема неинвертирующего усилителя с одним напряжением питания, показывающая правильный способ фильтрации. Усиление для средней полосы 1+R2/R1

На рисунках с неинвертирующей и инвертирующей схемами, показаны реализующие поляризацию с отфильтрованным напряжением VS/2 для получения наилучших возможных параметров. В обоих случаях на неинвертирующий вход подается напряжение смещения, обратная связь заставляет инвертирующий вход принимать такое же напряжение, а коэффициент усиления, равный единице, также смещает выход на тот же уровень напряжения. Конденсатор связи C1 снижает усиление низкочастотных сигналов до единицы на уровне частоты BW3.

Хорошее эмпирическое правило при использовании делителя напряжения 100 кОм / 100 кОм, как показано, состоит в том, чтобы использовать значение емкости C2 не менее 10 мкФ, что приведет к сдвигу края полосы пропускания на -3 дБ до 0,3 Гц.

Правильная фильтрация источника питания схемы инвертирующего усилителя с одним источником питания. Коэффициент усиления средней полосы равен –R2/R1

Таким образом проектирование аналоговых схем с использованием интегральных ОУ значительно упрощается. Но это не означает, что нельзя столкнуться с какими-либо другими проблемами. В приведенной статье мы рассмотрели как позаботиться о входах связанных по переменному току, чтобы избежать дрейфа выходного напряжения смещения в таких схемах, и как отфильтровать опорные напряжения, используемые с входными усилителями и ОУ с одним напряжением.