Практические аспекты ОУ. Усиление синфазных сигналов

У реальных операционных усилителей по сравнению с «идеальной» моделью есть некоторые недостатки. Реальное устройство отличается от идеального дифференциального усилителя. Один минус один может не быть нулем. Эти недостатки могут привести к незначительным ошибкам в одних приложениях и недопустимым ошибкам в других приложениях. В некоторых случаях эти ошибки могут быть компенсированы. Иногда требуется более высокое качество и более дорогостоящее устройство.

Коэффициент усиления синфазных сигналов

Как указывалось ранее, идеальный дифференциальный усилитель усиливает только разность напряжений между двумя входами. Если два входа дифференциального усилителя замкнуты вместе (таким образом, обеспечивая нулевую разность потенциалов между ними), выходное напряжение не должно никак изменяться при любой величине напряжения, прикладываемого между этими двумя замкнутыми входами и землей:

Напряжение, которое является общим для любого из входов и землей, в данном случае V_синф, называется синфазным напряжением. Когда мы изменяем это синфазное напряжение, выходное напряжение идеального дифференциального усилителя должно быть абсолютно неизменным (не должно быть никаких изменений для любого произвольного синфазного напряжения на входе). Это приводит к коэффициенту усиления по напряжению в синфазном режиме, равному нулю.

\[A_V = {\text{Изменение } V_{вых} \over \text{Изменение } V_{вх}}\]

... если изменение V_вых = 0 ...

\[{0 \over \text{Изменение } V_{вх}} = 0\]

A_V = 0

Операционный усилитель, будучи дифференциальным усилителем с высоким дифференциальным коэффициентом усиления, в идеале должен иметь нулевой коэффициент усиления в синфазном режиме. Однако в реальной жизни это достичь нелегко. Таким образом, синфазные напряжения будут неизменно влиять на выходное напряжение операционного усилителя.

Производительность реального операционного усилителя в этом отношении чаще всего измеряется с точки зрения отношения его дифференциального коэффициента усиления (насколько он усиливает разницу между двумя входными напряжениями) к его синфазному коэффициенту усиления (насколько он усиливает синфазное напряжение). Отношение первого к последнему называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR):

\[CMRR = {\text{Дифференциальный }A_V \over \text{Синфазный }A_V}\]

Идеальный операционный усилитель с нулевым коэффициентом усиления в синфазном режиме будет иметь бесконечный CMRR. Реальные операционные усилители имеют высокие CMRR, у вездесущего 741 CMRR составляет около 70 дБ, что составляет немногим более 3000 в пересчете в разы.

Поскольку коэффициент ослабления синфазного сигнала у типового операционного усилителя настолько высок, синфазный коэффициент усиления обычно не вызывает большого беспокойства в схемах, где операционный усилитель используется с отрицательной обратной связью. Если синфазное входное напряжение схемы усилителя внезапно меняется, что приводит к соответствующему изменению выходного напряжения из-за синфазного коэффициента усиления, то изменение выходного напряжения будет быстро скорректировано работой отрицательной обратной связи и дифференциального коэффициента усиления (который намного больше, чем синфазный коэффициент усиления), чтобы вернуть систему в равновесие. Разумеется, на выходе можно было бы увидеть изменения, но они были бы намного меньше, чем вы могли ожидать.

Однако следует помнить о синфазном коэффициенте усиления в схемах дифференциальных усилителей на ОУ, таких как инструментальные (измерительные) усилители. Помимо корпуса операционного усилителя и чрезвычайно высокого дифференциального коэффициента усиления, мы можем обнаружить, что синфазный коэффициент усиления вызывается разбалансом номиналов резисторов. Чтобы продемонстрировать это, мы проведем SPICE анализ инструментального (измерительного) усилителя с закороченными вместе входами (без дифференциального напряжения), подавая синфазное напряжение, чтобы увидеть, что произойдет. Сначала мы проведем анализ, показывающий выходное напряжение идеально сбалансированной схемы. Мы ожидаем увидеть отсутствие изменений в выходном напряжении при изменениях синфазного входного напряжения:

instrumentation amplifier 
v1 1 0 
rin1 1 0 9e12 
rjump 1 4 1e-12 
rin2 4 0 9e12 
e1 3 0 1 2 999k 
e2 6 0 4 5 999k 
e3 9 0 8 7 999k 
rload 9 0 10k 
r1 2 3 10k 
rgain 2 5 10k 
r2 5 6 10k 
r3 3 7 10k 
r4 7 9 10k 
r5 6 8 10k 
r6 8 0 10k 
.dc v1 0 10 1 
.print dc v(9) 
.end 

Результаты:

v1        v(9) 
0.000E+00 0.000E+00 
1.000E+00 1.355E-16 
2.000E+00 2.710E-16 
3.000E+00 0.000E+00
4.000E+00 5.421E-16 
5.000E+00 0.000E+00 
6.000E+00 0.000E+00  
7.000E+00 0.000E+00 
8.000E+00 1.084E-15 
9.000E+00 -1.084E-15 
1.000E+01 0.000E+00  

Как вы можете видеть, выходное напряжение v(9) практически не изменяется при изменениях входного напряжения v(1) от 0 до 10 вольт.

Помимо очень небольших отклонений (фактически из-за причуд SPICE, а не реального поведения схемы), выходное напряжение остается стабильным там, где и должно быть: при 0 вольт с нулевым дифференциальным входным напряжением. Однако давайте введем в схему резисторный дисбаланс, увеличив R5 с 10000 Ом до 10500 Ом, и посмотрим, что произойдет (список соединений для краткости был пропущен – единственное, что изменилось, это значение R5):

v1        v(9) 
0.000E+00 0.000E+00 
1.000E+00 -2.439E-02 
2.000E+00 -4.878E-02 
3.000E+00 -7.317E-02 
4.000E+00 -9.756E-02 
5.000E+00 -1.220E-01 
6.000E+00 -1.463E-01 
7.000E+00 -1.707E-01 
8.000E+00 -1.951E-01 
9.000E+00 -2.195E-01 
1.000E+01 -2.439E-01 

На этот раз мы видим значительное изменение (от 0 до 0,2439 вольта) выходного напряжения при изменении синфазного входного напряжения от 0 до 10 вольт, как и в прошлом эксперименте.

Разность входных напряжений по-прежнему равна нулю, но выходное напряжение значительно изменяется при изменении синфазного напряжения. Это свидетельствует о синфазном коэффициенте усиления, чего мы пытаемся избежать. Более того, этот синфазный коэффициент усиления создан нами и не имеет ничего общего с несовершенством самих операционных усилителей. Благодаря значительно уменьшенному дифференциальному коэффициенту усиления (фактически равному 3 в этой конкретной схеме) и отсутствию отрицательной обратной связи вне схемы, этот синфазный коэффициент усиления будет оставаться без контроля в схеме тракта измерительного сигнала.

Существует только один способ скорректировать этот синфазный коэффициент усиления, и он заключается в балансе значений всех резисторов. При проектировании измерительного усилителя из дискретных компонентов (а не при покупке в корпусе интегральной микросхемы) целесообразно обеспечить некоторые средства для точной подстройки, по меньшей мере, одного из четырех резисторов, подключенных к оконечному операционному усилителю, чтобы иметь возможность «отсечь/исключить» любой такой синфазный коэффициент усиления. Предоставление средств для «подстройки» резисторной цепи также имеет дополнительные преимущества. Предположим, что значения всех резисторов точно такие, какими они должны быть, но синфазный коэффициент усиления присутствует из-за несовершенства одного из операционных усилителей. При обеспечении подстройки сопротивление можно подкорректировать, чтобы компенсировать это нежелательное усиление.

Одной из особенностей некоторых моделей ОУ является защелкивание выхода, обычно вызванное синфазным входным напряжением, превышающим допустимые пределы. Если синфазное напряжение выходит за пределы, установленные производителем, выход может внезапно «защелкнуться» в высоком режиме (насыщение при полном выходном напряжении). В операционных усилителях с входами на полевых транзисторах защелкивание может произойти, если синфазное входное напряжение подходит слишком близко к отрицательному напряжению шины питания. Например, на операционном усилителе TL082 это происходит, когда синфазное входное напряжение находится в пределах около 0,7 вольта от отрицательного напряжения на шине питания. Такая ситуация может легко возникнуть в схеме с одиночным источником питания, где отрицательная шина питания является землей (0 вольт), а входной сигнал свободно колеблется до 0 вольт.

Защелкивание также может быть вызвано синфазным входным напряжением, превышающим напряжение на шине питания, отрицательной или положительной. Как правило, вы должны не позволять входному напряжению никогда ни превышать напряжение на положительной шине источника питания, ни опускаться ниже напряжения на отрицательной шине источника питания, даже если рассматриваемый операционный усилитель имеет защиту от защелкивания (такие модели операционных усилителей как 741 и 1458). По крайней мере, поведение операционного усилителя может стать непредсказуемым. В худшем случае, тип защелкивания, вызванный входными напряжениями, превышающими напряжения источников питания, может быть разрушительным для операционного усилителя.

Хотя эту проблему можно легко избежать, ее вероятность больше, чем вы думаете. Рассмотрим случай со схемой на операционном усилителе во время включения питания. Если схема получает полное напряжение входного сигнала до того, как ее собственный источник питания успел зарядить конденсаторы фильтра, синфазное входное напряжение может легко превысить напряжение на шине питания. Если операционный усилитель получает напряжение сигнала от схемы, питающейся от другого источника питания, а его собственный источник питания выходит из строя, напряжение(я) сигнала может превышать напряжение на шине питания в течение неопределенного количества времени!

Теги