Для чего нужно напряжение смещения

Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно — дважды в месяц.

Всякий, изучавший электронику, знаком с понятием напряжения смещения. Напряжение смещения операционного усилителя равно выходному напряжению в схеме с единичным усилением G = 1 (рисунок 9а). При выполнении моделирования для учета влияния напряжения смещения может быть использован дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный ко входу усилителя. В схеме с единичным усилением G = 1 это смещение передается напрямую на выход. В схеме с высоким коэффициентом усиления на рисунке 9б выходное напряжение составляет 1000 Vos. Так ли это? Почти, но не совсем. Понимание этого «не совсем» поможет разобраться с частыми ошибками в схемах с ОУ.

Рис. 9. Выходное напряжение смещения при G = 1 В/В (a) и G = 1000 В/В (б)

В первой схеме выходное напряжение было очень близким к средней точке (здесь подразумевается биполярное питание). Это – выходное напряжение, при котором компания Texas Instruments определяет и проверяет напряжение смещения. Но во второй схеме при входном смещении в несколько милливольт на выходе может быть напряжение в несколько вольт. А чтобы получить полный размах выходного напряжения, потребуется совсем небольшое дифференциальное напряжение на входе ОУ, соответствующее заданному коэффициенту усиления.

Рассмотрим числовой пример. Если коэффициент усиления по постоянному напряжению с разомкнутой обратной связью составляет 100 дБ, то получаем усиление 1/10^(100 дБ/20) = 10 мкВ/В. Таким образом, чтобы сместить выход на 1 В относительно средней точки, требуется приложить ко входу напряжение 10 мкВ. Теперь представьте эту ситуацию так, как будто напряжение смещения изменяется при изменении выходного напряжения. Тогда изменению выходного напряжения на 9 В будет соответствовать изменение в 90 мкВ на входе. Попробуйте определить самостоятельно, много это, для вашей схемы или нет?

Таким образом мы рассматриваем коэффициент усиления в разомкнутом контуре как изменение напряжения смещения при изменении выходного напряжения. Этот подход позволяет интуитивно оценить величину ошибки. Характер этой ошибки может также иметь значение. Чтобы измерять напряжение смещения и усиление с разомкнутым контуром, следует использовать схему двухкаскадного усилителя. С ее помощью можно контролировать выходное напряжение и измерять напряжение смещения. Если постепенно изменять выходное напряжение в пределах всего выходного диапазона, то изменение напряжения смещения обычно выглядит примерно так, как показано на рисунке 10.

Рис. 10. Напряжение смещения как функция от выходного напряжения

Обратите внимание, что наибольшая скорость изменения напряжения смещения наблюдается вблизи положительной и отрицательной границ диапазона. Усилителю приходится «напрячься», чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение. Рост коэффициента усиления с разомкнутой обратной связью выше в середине диапазона и падает, когда напряжение на выходе приближается к крайним точкам. При разработке схем необходимо учитывать эту особенность. Вблизи граничных значений выходного напряжения происходит более резкое увеличение напряжения смещения.

Производители операционных усилителей по-разному определяют коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью (AOL). Для своих прецизионных ОУ компания TI использует усреднение значений коэффициента усиления в широком диапазоне выходных напряжений для получения хорошей линейной зависимости (красная линия на рисунке 10). Пример отражения этих характеристик в документации – в таблице 2.

Таблица 2. Значение коэффициента усиления с разомкнутым контуром для нагрузки различного типа

Источник

Входной ток сдвига и напряжение смещения нуля в усилителях

Напряжением смещения нуля (входным напряжением смещения) ОУ называется такое напряжение, при подаче которого на вход выходное напряжение будет равно нулю. Входным током сдвига ОУ называется разность входных токов усилите ля. Обычно используется приведенное к входу значение напряжения смещения нуля, так как выходные параметры ОУ зависят от обратной связи.

Влияние напряжения смещения нуля и входного тока сдвига заключается в том, что входной сигнал должен компенсировать некоторое начальное смещение на входе, прежде чем появится выходной сигнал. Кроме того, при отсутствии входного сигнала существует некоторое постоянное смещение начального уровня на выходе. Например, если у ИС усилителя напряжение смещения нуля составляе r 1 мВ и на его вход подан сигнал такой же величины, то на выходе усилителя никакого сигнала не будет. Если же увеличить входной сигнал до 2 мВ, усиливаться будет только часть сигнала, превышающая уровень 1 мВ.

Схема для измерения напряжения смещения нуля и входного тока сдвига ОУ приведена на рис. 6.26. Выходное напряжение измеряется в двух режимах: Ej (Sl замкнут – R3 закорочены) и Е₂ (Sl разомкнут – R3 включены в цепь).

При равенстве сопротивлений R1, R2 и R3 значениям, показанным на схеме (рис. 6.26), допустим, что величины напряжений равны: El = 83 мВ, E2 = 363 мВ. Тогда

Схема измерений напряжения смещения и входного тока сдвига ОУ

Примечание к рис. Типовые значения схемнъос элементов: R1 = 51 Ом, R2 = 5,1 кОм, R3 = 100 кОм.

Ослабление синфазного сигнала

Для этого параметра существует несколько определений, принятых в литературе (например, коэффициент ослабления синфазного сигнала, КОСС). Однако для измерения ослабления синфазного сигнала, независимо от используемого определения, необходимо в первую очереДь определить усиление ОУ в режиме с разомкнутой обратной связью на требуемой рабочей частоте. Затем для измерения ослабления синфазных сигналов надо собрать схему, приведенную на рис. 6.27. Далее нужно увеличивать синфазное напряжение (той же частоты, на которой измерялось усиление в режиме с разомкнутой обратной связью) до тех пор, пока на выходе не появится сигнал, уровень которого можно надежно измерить. При этом нельзя превышать значения максимально допустимого входного синфазного напряжения, приведенного в технических условиях. При отсутствии информации о его величине следует ограничиться максимально допустимым значением входного напряжения для данной ИС.

Для упрощения расчетов следует увеличивать входное напряжение до тех пор, пока значение выходного напряжения не достигнет целой величины (например, 1 мВ, как показано на рис. 6.27). Далее необходимо вычислить значение эквивалентного

входного дифференциального сигнала. Для этого требуется разделить полученную величину выходного напряжения на значение усиления в режиме с разомкнутой обратной связью. Например, для значения коэффициента усиления в режиме с разомкнутой обратной связью, равного 100, и выходного напряжения, равного 1 мВ, величина эквивалентного дифференциального входного сигнала составит: 0,001 / 100 = 0,00001.

После этого измерьте входное напряжение, при котором выходное напряжение равнялось 1 мВ, и для определения ослабления синфазного сигнала разделите полученное значение на величину эквивалентного дифференциального сигнала. В рассматриваемом примере можно вычислить входное напряжение (при котором выходное напряжение равно 1 мВ), а затем сместить десятичную запятую на пять разрядов. Например, если выходной сигнал равен 1 мВ при напряжении входного синфазного сигнала 10 В, а коэффициент усиления – 100, то коэффициент ослабления синфазного сигнала составит 1 000 000. Полученный результат можно выразить в децибелах (120 дБ по напряжению).

Влияние нестабильности напряжения питания

Влияние нестабильности напряжения питания выражается отношением изменения напряжения смещения нуля ОУ к вызвавшему его изменению напряжения питания. В ряде технических условий размерность этого коэффициента указывается в милливольтах или микровольтах на вольт (мВ/В или мкВ/В), что указывает на изменение напряжения смещения нуля ОУ (измеряется в милливольтах или микровольтах) относительно изменения напряжения питания (в вольтах). В некоторых случаях используется величина, определяющая ослабление влияния напряжения питания, которая измеряется в децибелах.

Независимо от принятого определения для измерения этого параметра используется схема, представленная на рис. 6.26. Методика измерений аналогична приведенной выше, за исключением того, что изменяется напряжение питания (с шагом 1 В). Изменение напряжения смещения нуля ОУ при изменении напряжения питания на 1 В и является величиной ослабления влияния напряжения питания (если необходимо, она может выражаться в децибелах). Схема, изображенная на рис. 6.26, может быть использована и при питании усилителя от двух источников. В этом случае напряжение одного источника питания меняется (с шагом 1 В), тогда как напряжение второго источника остается без изменений.

Источник: Ленк Д., 500 практических схем на популярных ИС: Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, – 44 с.: ил. (Серия «Учебник»).

Источник

Смещение транзистора-подробные схемы функции.

Транзисторы являются широко используемыми полупроводниковыми устройствами. Они используется во множестве разных случаев, включая усиление и коммутацию. Для того чтобы выполнить подобные функции удовлетворительно, транзистор должен быть снабжён определенным электрическим током и/или напряжением.

Процесс обеспечения данных условий для транзистора называется “ Смещение транзистора ”. Эта цель может быть достигнута множеством методик, которые дают множество различных схем смещения.

Как бы там ни было, все эти схемы базируются на принципе обеспечения точно высчитанного тока, IB, и тока на коллекторе, Ic от подаваемого напряжения, напряжении постоянного тока, когда сигнал на входе отсутствует.

Более того, резистор коллектора Rc должен быть выбран так, чтобы напряжение коллектора и эмиттера, VCE, оставалось больше 0,5 вольт для транзисторов, сделанных из германия, и более 1 вольта для кремниевых транзисторов. Ниже объяснены несколько вполне удовлетворительных схем смещения.

Смещение с постоянной базой и смещение с постоянным сопротивлением

Схема имеет базовый резистор RB, который соединяет базу и напряжение постоянного тока. Тут соединение базы-эмиттера у транзистора, который смещён за счёт снижения напряжения через RB, что является результатом течения IB через него.

Здесь величины напряжения постоянного тока и VBE постоянны, в то время как величина RB постоянна с момента создания схемы. Это приводит к постоянной величине для IB за счёт постоянного операционного усилителя. Благодаря последнему данная схема называется смещением с постоянной базой. Этот вид смещения – результат стабилизирующего фактора (ß + 1), который приводит к очень низкой термической стабильности.

Причина этого кроется в том, что ß – параметр транзистора непредсказуем, и сильно изменяется, даже если транзисторы одного типа и модели. Это изменение в ß выражается в больших изменениях в Ic, которые не могут быть компенсированы никакими средствами при проектировании. Отсюда можно сделать вывод, что этот вид смещения, зависящего от ß, подвержен изменениям в операционном усилителе, возникающим из за изменений в характеристиках транзистора и температуры.

Как бы там ни было, стоит отметить, что смещение с постоянной базой наиболее простое и использует меньше деталей. Более того, оно даёт пользователю возможность менять операционный усилитель где угодно в активной зоне просто за счёт смены значения RB в проектировании. Также оно предлагает не загружать источник как соединение базы-эмиттера без резистора. Благодаря этим факторам, этот тип смещения используется при коммутации и для достижения автоматического контроля за коэффициентом усиления в транзисторах.

Смещение при обратной связи с коллектором

На данной схеме базовый резистор RB подсоединён через коллектор и базовые выводы транзистора. Это означает, что базовое напряжение, VB, и напряжение коллектора, Vс, взаимосвязаны.

Увеличение в Ic уменьшает Vс, из-за уменьшившегося IB. Автоматически уменьшается Ic. Это показывает, что для такого типа смещения, операционный усилитель остается постоянным безотносительно к изменениям в поступающем токе, являющимся причиной того, что транзистор постоянно находится в своей активной зоне вне зависимости от величины ß.

Эта схема также называется схемой само-смещения с отрицательной обратной связью, ведь обратная связь тут от выхода к входу через RB. Этот довольно простой вид смещения имеет стабилизирующий фактор меньше (ß + 1). Это обеспечивает большую стабильность по сравнению с постоянным смещением. Как бы там ни было, уменьшение тока коллектора за счёт базового электрического тока приводит к уменьшению коэффициента усиления на усилителе.

Смещение с двойной связью

Схема смещения с двойной связью в данном случае является импровизацией, основанной на смещении обратной связи с коллектором. Тут имеется дополнительный резистор R1. Это объясняется усилением тока, текущего через базовые резисторы. Схема устойчива к изменениям значений ß.

Постоянное смещение с резистором эмиттера

Это смещение не что иное, как постоянное смещение с дополнительным резистором эмиттера, RE. Если Ic возрастёт из-за увеличения температуры, то IE тоже возрастёт, что в дальнейшем приведет к увеличению уменьшения напряжения через RE. Уменьшение в Vc станет причиной уменьшения в IB, которое вернёт Ic к его нормальному значению. Таким образом, этот вид смещения обеспечивает лучшую стабильность, чем смещение с постоянной базой. Наличие RE уменьшает напряжение от усилителя, а также результаты его нежелательной AC обратной связи.

Смещение эмиттера

Это смещение использует два напряжения, напряжение постоянного тока (Vcc) и VEE, которые равны, но противоположны по заряду. Тут смещения VEE, соединение через базу-эмиттер через RE за счёт Vcc обратных смещений, соединение коллектор-база. В этом случае смещения, Ic может быть сделано независимой и от ß, и от VBE за счёт выбора RE > > RB и VEE > > VBE, соответственно. В итоге получается стабильный операционный усилитель.

Смещение эмиттера с обратной связью

Это само-смещение эмиттера использует и обратную связь коллектора-базы, и обратную связь эмиттера. В итоге – более высокая стабильность. Соединение эмиттер-база смещается из-за уменьшения напряжения через резистор эмиттера, RE. Это происходит из-за течения тока через эмиттер, IE. Это также приводит к более интенсивному понижению напряжения через RE, что, в свою очередь, уменьшает напряжение на коллекторе, Vc и IB, тем самым возвращая Ic прежнее значение.

Как бы там ни было, это является следствием уменьшения коэффициента усиления на выходе из-за наличия дегенеративной обратной связи, которая является нежелательной AC обратной связью. В такой связи количество тока, проходящего через резистор обратной связи, определяется за счёт значения напряжения коллектора, Vc. Этот эффект может быть компенсирован использованием большого обходного конденсатора через резистор эмиттера, RE.

Смещение с делителем напряжения

Этот вид смещения использует делитель напряжения, который сформирован за счёт резисторов R1 и R2 для смещения транзистора. Это означает, что напряжение, проходящее через R2, будет напряжением на базе транзистора, который смещает своё соединение базы-эмиттера. В общем, ток через R2 будет постоянным и будет являться током на базе, используемым 10 раз, IB (i.e. I2 = 10IB). Это сделано, чтобы обойти его воздействие на ток делителя напряжения или на изменения в ß.

В этом типе смещения, Ic устойчив к изменениям и в ß, и в VBE, что ведёт к стабилизирующему фактору со значением 1 (теоретически) и максимально возможной термической стабильности. Это объясняется тем, что подобно тому как Ic увеличивается из-за роста температуры, IE также увеличивается из-за возрастания напряжения на эмиттере, VE, которое, напротив, уменьшает напряжение базы-эмиттера, VBE. Это приводит к уменьшению тока на базе, IB, что возвращает Ic к исходному значению.

Очень высокая стабильность, которую обеспечивает данное смещение, сделало его наиболее широко используем, несмотря на обеспечение уменьшенного коэффициента усиления у усилителя в силу наличия RE. Отдельно от проанализированных основных типов схем смещения, транзисторы с биполярным соединением могут также быть смещены при использовании активных схем или за счёт применения кремниевых или стабилизирующих диодов. Стоит также отметить, что несмотря на то, что схемы смещения объяснены для транзисторов с биполярным соединением, похожие схемы смещения существуют и для транзисторов с эффектом поля.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Источник