Регулировка напряжения смещения оу

СПОСОБЫ КОМПЕНСАЦИИ НАЧАЛЬНОГО СМЕЩЕНИЯ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ в устройствах на микросхемах

Большим и конструктивно малоустранимым недостатком ОУ является наличие на их входе начального смещения. Это смещение можно не учитывать при построении усилителей переменного тока на основе ОУ, поскольку в них обычно используют разделительные конденсаторы. При построении усилителей постоянного тока приходится считаться с необходимостью компенсации постоянного смещения на входе ОУ. Это напряжение не отличается стабильностью и может меняться при изменении температуры, времени работы и в силу иных причин.

Рис. 4.2. Вариант схемы компенсации начального смещения

Рис. 4.7. Схема компенсации начального смещения на входе ОУ

Некоторые схемные решения, предназначенные для решения проблемы компенсации начального смещения на входе (входах) ОУ, приведены ниже. Простейшая схема (рис. 4.1) состоит из регулирующего потенциометра R3. Резистор R1 предназначен для снижения влияния регулирующего элемента — потенциометра R3 на входное сопротивление усилителя. Резисторы R2 и R4 обеспечивают «растяжку» диапазона регулирования, более плавный и точный характер регулировки.

Ориентировочные номиналы элементов схем: потенциометр R3 — ед…. сотни килоом, R1 — на два порядка или более выше номиналов резисторов, подключенных к входу ОУ; R2=R4 — на порядок выше номинала R3.

Вариант схемы компенсации начального смещения на основе резистивных делителей (рис. 4.2) позволяет обеспечить плавную регулировку напряжения. Для реализации схемы обычно R2=R4»(R3«R5=R6). Например, R2=R4=33 кОм; R3=200 Ом; R5=R6=27 Ом, Rl=10 кОм. Это позволяет регулировать напряжение смещения в пределах ±10 мВ при типовых напряжениях питания ОУ ±12,6 В.

Рис. 4.6. Вариант схемы регулировки напряжения смещения

Компенсатор смещения нуля ОУ, рис. 4.3 (верх), позволяет плавно регулировать напряжение на входе операционного усилителя в пределах от +150 до -150 мВ. Сузить эти пределы в 3 раза можно за счет увеличения номинала резистора R3 до 3 МОм, либо снижения номинала резистора R2 до 3,0—3,3 кОм. Третий вариант — замена потенциометра R6 цепочкой равновеликих сопротивлений R5=R6=R7, рис. 4.3 (низ).

Еще один вариант схемы компенсации начального смещения ОУ, рис. 4.4, использует для стабилизации напряжения смещения два прямосмещенных диода VD1 и VD2. Развитием этой идеи служит следующая схема, рис. 4.5. Для дополнительного повышения стабильности напряжения смещения использованы генераторы стабильных токов (ГСТ)_У в качестве которых можно в простейшем случае использовать высокоомные резисторы.

Простые ГСТ рассмотрены также в книге [4.1, 4.2]. Схема, рис. 4.5, за счет параллельного включения нескольких регулирующих элементов R2j—R2_n позволяет компенсировать независимо друг от друга начальные напряжения смещения нескольких ОУ

Отмечу, что в качестве элементов стабилизации начального смещения могут выступать не только полупроводниковые германиевые или кремниевые диоды или их последовательно включенные цепочки, но и специальные элементы, предназначенные для стабилизации напряжения — стабисторы, стабилитроны, специализированные микросхемы, рис. 4.6.

Другие способы компенсации более подробно изложены в монографии [4.3].

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Источник

Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения

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.

В 2012 году мой коллега Софьян Бендауд опубликовал статью «Pushing the Precision Envelope». В ней он рассматривал различные технологии, которые используются компанией TI для подстройки и подгонки напряжения смещения до очень малых значений. Это заставило меня задуматься о выводах регулировки напряжения смещения. Куда они пропали?

У новейших операционных усилителей выводы регулировки смещения отсутствуют, хотят раньше они были практически у всех ОУ. Это произошло по целому ряду причин, таких как появление более совершенных усилителей с меньшим смещением, разработка систем автокалибровки, стремление снизить затраты на сбоку и подстройку ОУ, миниатюризация корпусов для поверхностного монтажа. Все это привело к исчезновению выводов подстройки. Стоит отметить, что многие популярные ОУ до сих пор снабжены выводами коррекции напряжения смещения, однако разработчики начали забывать об особенностях их использования.

Самое простое правило: если вы не используете выводы коррекции напряжения смещения, то оставьте их неподключенными. Не подключайте их к земле.

На рисунке 13 показана типовая схема внутренней подстройки. Выводы коррекции подключены ко входному каскаду. Регулировка потенциометра изменяет баланс нагрузки на несколько милливольт (+ или –), компенсируя входное напряжение смещения. В документации обычно указывают рекомендуемое сопротивление потенциометра, однако это не так важно. Использование потенциометра с гораздо более высоким сопротивлением приведет к тому, что изменение напряжения смещения при регулировке потенциометра произойдет в крайних положениях. Слишком малое значение сопротивления сузит диапазон регулирования. Значения сопротивления в диапазоне больше 50…100% от рекомендуемого значения, скорее всего, позволят потенциометру вполне удовлетворительно работать.

Рис. 13. Типовая схема внутренней подстройки и подключение выводов регулировки ко входному каскаду

Обратите внимание, что схема подстройки в приведенном примере в качестве опорной точки использует источник питания V+. Некоторые операционные усилители в качестве опорной точки используют источник питания V-. Подключение потенциометра к неправильному потенциалу или к земле при использовании биполярного питания обязательно вызовет проблемы. Некоторые разработчики пытаются использовать сложные активные схемы для управления выводами подстройки. Потенциально это возможно, однако использование в цепи земли в качестве опорной точки может привести к ухудшению коэффициента ослабления помех по цепям питания.

Наиболее эффективной является компенсация напряжения смещения самого первого усилительного каскада в многокаскадной схеме. Как правило, этот усилитель имеет небольшой коэффициент усиления, и влияние его напряжения смещения превышает вклад напряжений смещения последующих усилителей. Кроме того, если использовать цепи калибровки для коррекции последующих каскадов, то этим можно внести нежелательный температурный дрейф.

Если выводы коррекции напряжения смещения отсутствуют, то следует использовать другие способы компенсации. Например, можно подключать потенциометр или другие корректирующие цепочки в разные точки схемы. Конкретные примеры показаны на рисунке 14. Используемые корректирующие напряжения должны быть получены от источников питания. Также можно использовать регулируемые источники напряжения. Нерегулируемые источники питания, например, аккумуляторы, могут работать не постоянно и недостаточно стабильно.

Рис. 14. Примеры приложения корректирующих напряжений к различным узлам схемы

Современные усилители имеют столь малые значения напряжения смещения, что часто устраняют необходимость во внешней подстройке. Тем не менее, бывают случаи, когда требуется некоторая регулировка смещения. Теперь вы знаете, как выполнять компенсацию напряжения смещения с помощью выводов регулировки или дополнительных схем.

Список ранее опубликованных глав

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Источник

Компенсация напряжения смещения ОУ

Практически напряжение смещения U_смкомпенсируется либо балансировкой входного каскада ОУ (для этих целей в ОУ имеются специальные выводы), либо включением компенсирующего напряжения на один из входов ОУ. При изменении температуры появляется дополнительная составляющая напряжения смещения , где — коэффициент влияния температуры на U_см. Вследствие прогрева кристалла микросхемы или при быстром изменении температуры напряжение смещения может претерпевать значительные изменения. В зависимости от размеров кристалла переходной процесс в воздухе устанавливается в течение 1—500 мкс (при включении питания). Быстрое изменение нагрузки также приводит к неравномерному нагреву кристалла.

Характер изменения U_смво времени при включении питания (медленный прогрев) и скачкообразном изменении температуры или нагрузки показан на рис. 1.2.1.

Компенсация U_см с помощью балансировки входного каскада ОУ приводит к дополнительной погрешности от температурного дрейфа. Так, если с помощью переменного резистора, подключенного к специальным выводам ОУ, сбалансирован первый (входной) каскад, то температурный дрейф напряжения смещения увеличится по сравнению с исходным температурным дрейфом примерно на величину где U_см — величина скомпенсированного напряжения смещения, мВ. Эта формула справедлива для дифференциальных входных каскадов ОУ, в эмиттерных цепях которых отсутствуют резисторы. Если имеются такие резисторы, то этот температурный дрейф уменьшается пропорционально отношению полного сопротивления эмиттерной цепи к динамическому сопротивлению эмиттера. Для дифференциальных каскадов ОУ, построенных на полевых транзисторах, увеличение температурного дрейфа примерно такое же, как и для каскадов с биполярными транзисторами (примерно 3 мкВ/°С), однако напряжение смещения у ОУ с полевыми транзисторами обычно значительно больше.

Компенсация U_см путем подключения на входе ОУ специальной цепи, формулирующей компенсирующее напряжение, не приводит к дополнительному росту температурного дрейфа. На рис. 1.2.2, а, б и в показаны типовые схемы цепей регулировки напряжения смещения нуля для инвертирующего, неинвертирующего и дифференциального усилителей соответственно. Регулировка напряжения смещения в этих схемах осуществляется введением на соответствующий вход ОУ компенсирующего напряжения.

Расчет компенсирующей цепи осуществляется, исходя из условия обеспечения на резисторе R4 напряжения несколько большего, чем ±U_см, при этом R4 RЗ. Потенциометр #5 (5—10 кОм) подключается обычно к источникам питания ОУ. Сопротивления резисторов R3 в схемах рис. 1.2.2, б, в необходимо выбирать такой величины, чтобы при изменении R5 коэффициент передачи усилителей изменялся в пределах заданной погрешности.

Рис. 1.2.1. График изменения напряжения смещения нуля ОУ во времени при медленном и скачкообразном прогреве кристалла

а	б
в	г

Рис. 1.2.2. Схемы регулировки напряжения смещения нуля инвертирующего (а), неинвертирующего (б), дифференциального (в)усилителей и ОУ, имеющего специальные выводы (г)

Для компенсации температурного дрейфа напряжения смещения используется метод термокомпенсации, основанный на идентичности зависимостей температурного дрейфа биполярного ОУ и прямосмещенного p-n-перехода. На рис. 1.2.2, г показана термокомпенсирующая цепь, в которой напряжение на регулирующем потенциометре R1 формируется с помощью перехода база — эмиттер транзистора V1. Ток, протекающий через резистор R2, делится на ток через резистор RЗ и ток через V1. Ток, протекающий через RЗ, создает напряжение управления транзистором. Если ток базы V1 много меньше тока через резистор RЗ, то ток коррекции смещения будет равен . Данная схема используется для ОУ, во входном дифференциальном каскаде которого отсутствуют резисторы в эмиттерных цепях. Если такие резисторы имеются, то в эмиттерную цепь транзистора V1 необходимо включить резистор примерно такой же величины, как и в эмиттерных цепях входного каскада ОУ.

В высокоточных повторителях напряжения компенсацию напряжения смещения можно осуществлять с помощью формирования напряжения в цепи ООС. Схема регулировки напряжения смещения нуля в повторителе напряжения показана на рис. 1.2.3. Напряжение компенсации в данной схеме регулируется с помощью потенциометра R1, питание которого осуществляется от стабилитронов V1, V2. Для повышения стабильности V1 и V2 запитаны от источников тока.

Рис. 1.2.3. Схема регулировки напряжения смещения нуля ОУ в повторителе напряжения

Источник

Встроенная схема компенсации токов смещения в ОУ с биполярными входами

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.

В предыдущей статье я рассмотрел использование согласующего резистора для уменьшения влияния тока смещения за счет выравнивания сопротивлений по входам операционного усилителя. При этом я пришел к выводу, что такое решение зачастую не так уж и эффективно, и даже может даже нанести ущерб другим параметрам схемы.

В заключении к предыдущему разделу я сказал, что есть определенные операционные усилители, для которых использование согласующего резистора не рекомендуется. Это касается ОУ с биполярными входами со встроенной компенсацией входного тока смещения. Их источники тока, I1 и I2, формируют ток базы для пары входных транзисторов (рисунок 24). Эти тщательно согласованные токи, полученные с помощью токовых зеркал, закачиваются в базы транзисторов через входы ОУ.

Рис. 24. Биполярные входы ОУ со встроенными источниками тока, используемыми для устранения входных токов смещения

Хотя эти токи и соответствуют значениям токов базы транзисторов (обычно отклонение находится в пределах нескольких процентов), все-таки это соответствие не идеальное. Разница меду ними определяет небольшой остаточный входной ток смещения, который может быть положительным или отрицательным. Величины остаточных токов для каждого из входов могут сильно отличаться, и даже иметь противоположную полярность. Получение каких-либо преимуществ от согласования сопротивлений (как показано на рисунке 25) будет зависеть от согласования внутренних токов. Таким образом, наличие встроенной схемы компенсации тока делает использование согласующего резистора бессмысленным.

Рис. 25. Схема включения ОУ с согласующим резистором, подключенным к неивертирующему входу

Какие операционные усилители имеют встроенную схему компенсации токов смещения, а какие нет? В технической документации информация об этом зачастую отсутствует. Однако обнаружить ее можно по косвенным признакам, изучая характеристики входного смещения.

В таблице 4 приведены характеристики входного напряжения смещения для малошумящего операционного усилителя OPA209 со встроенной схемой коррекции тока смещения. Можно заметить, что величина тока смещения указана с помощью символа ±, это значит, что ток может протекать в любом направлении. В нашем случае это первый намек. Также стоит обратить внимание на то, что ток сдвига (offset current) имеет ту же величину, что и входной ток смещения (у данного операционного усилителя они практически равны). Эти особенности показывают, что этот ОУ имеет внутреннюю схему коррекции тока смещения.

Таблица 4. Характеристики входных токов для OPA209 (со встроенной компенсацией тока смещения)

Входной ток, нА	Мин.	Тип.	Макс.
Входной ток смещения, нА	–	±1*	±4,5**
Входной ток сдвига, нА	–	±0,7	±4,5**
* Знак ± означает, что ток смещения может протекать в обоих направлениях ** Ток сдвига такой же или близкий по значению току смещения

В таблице 5 показаны гипотетические характеристики усилителя OPA209, которые он мог бы иметь, если бы у него не было схемы коррекции тока смещения. Можно отметить гораздо более высокие значения токов смещения. И теперь величина тока сдвига намного меньше, так как токи смещения двух входов практически равны. В зависимости от конкретной схемы включения и конкретного приложения для этого гипотетического операционного усилителя может быть использован согласующий резистор, как это показано на рисунке 24.

Таблица 5. Характеристики входных токов для того же ОУ, если бы у него не было встроенной компенсации

Входной ток	Мин.	Тип.	Макс.
Входной ток смещения, нА	–	40	80*
Входной ток сдвига, нА	–	1,5	5**
* Ток сдвига IOS = (IB+) – (IB-) ** Ток сдвига намного меньше тока смещения

Встроенные схемы компенсации токов смещения обычно используются в точных и малошумящих биполярных ОУ, которые в противном случае имели бы весьма высокие значение входных токов. Встроенная схема компенсации делает эти усилители полезными в более широком спектре приложений.

Вы когда-либо проектировали схемы, которые полагаются на известное направление протекания входных токов смещения? С рассмотренными выше усилителями это было бы не совсем разумно…

Список ранее опубликованных глав

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Источник