Встроенная схема компенсации токов смещения в ОУ с биполярными входами. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины

Продолжаем публикацию глав руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием ОУ. В главах 11 и 12 будет рассказано о встроенной схеме компенсации токов смещения в ОУ с биполярными входами и уделено внимание наиболее частым причинам возникновения колебаний в этой схеме.
142
В избранное

На сайте нашего партнера компании Компэл опубликованы главы руководства Брюса Трампа, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). 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. Представляем вашему вниманию очередные главы из него.

Встроенная схема компенсации токов смещения в ОУ с биполярными входами

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.

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

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.

Схема включения ОУ с согласующим резистором, подключенным к неивертирующему входу

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…

Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины

Диаграммы Боде, или логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики, являясь отличным аналитическим инструментом, не выглядят интуитивно понятными. В данном разделе мы воспользуемся чисто качественным рассмотрением часто встречающихся причин неустойчивости и самовозбуждения операционных усилителей (ОУ).

На рисунке 26 представлен идеальный импульсный отклик, который можно наблюдать при отсутствии задержки в цепи обратной связи. Рост выходного напряжения постепенно замедляется, поскольку сигнал обратной связи сообщает о приближении к уровню конечного напряжения.

Отклик ОУ на прямоугольный импульс при различном значении задержки сигнала обратной связи

Рис. 26. Отклик ОУ на прямоугольный импульс при различном значении задержки сигнала обратной связи

Проблемы возникают, когда задержка сигнала обратной связи отлична от нуля. При наличии задержки в петле ОС усилитель обнаруживает приближение выходного напряжения к конечному значению не сразу. Вначале он реагирует гораздо резче, стремясь достичь требуемого значения на выходе – можно отметить более высокую скорость нарастания сигнала. Инвертирующий вход своевременно не получает сигнала обратной связи, который бы сообщал о приближении выхода к целевому значению. Как результат, сигнал выходного напряжения это целевое значение «проскакивает». Далее напряжение на входе меняет знак, и амплитуда на выходе начинает уменьшаться. После нескольких последовательных колебаний напряжение на выходе, наконец, устанавливается.

Небольшая задержка – и вот мы получаем перерегулирование и звон. Слишком большая задержка – и эти колебания продолжаются бесконечно, то есть происходит самовозбуждение.

Источником задержки часто является простейшая низкочастотная RC-цепь. Конечно, она не обеспечивает одинаковую задержку для всех частот, но постепенный сдвиг фаз с 0° до 90° в первом приближении создает временную задержку td = RC.

Есть два часто встречающихся случая, когда эта RC-цепь непреднамеренно проникает в схему. Первый – с емкостной нагрузкой (рисунок 27а). В качестве резистора выступает выходное сопротивление контура с разомкнутой обратной связью, а конденсатор представлен емкостью нагрузки.

Во втором случае (рисунок 27б) RC-цепь образуется за счет сопротивления обратной связи и входной емкости ОУ. Соединения на печатных платах также формируют паразитные емкости, приложенные к этому чувствительному узлу. Можно заметить, что приведенные схемы имеют идентичные контуры ОС. Единственное различие – это узел, который мы считаем выходом. С точки зрения устойчивости обе схемы могут создавать одинаковые проблемы. Эти две причины, вызывающие задержку обратной связи, часто возникают одновременно, тем самым удваивая возникающие трудности.

Фазовый сдвиг (задержка сигнала ОС) появляется в двух случаях: а) при емкостной нагрузке; б) при наличии емкости на инвертирующем входе

Рис. 27. Фазовый сдвиг (задержка сигнала ОС) появляется в двух случаях: а) при емкостной нагрузке; б) при наличии емкости на инвертирующем входе

Второй случай требует дополнительного комментария. В буферной схеме с единичным усилением (G = 1) сопротивление обратной связи равно нулю, поэтому более критичной является усилительная схема с резистивной обратной связью (рисунок 28). Параллельная комбинация этих резисторов формирует полное сопротивление R в RC-цепочке.

Параллельное соединение резисторов обратной связи образует эффективное сопротивление RC-цепочки

Рис. 28. Параллельное соединение резисторов обратной связи образует эффективное сопротивление RC-цепочки

Использование диаграмм Боде дает больше данных для анализа устойчивости усилителей с обратной связью. Тем не менее, наше простое и интуитивно понятное рассмотрение того, как задержка и фазовый сдвиг в цепи обратной связи влияют на устойчивость, может помочь с выявлением и решением наиболее распространенных проблем со стабильностью схем.

Предыдущие главы:

Источник: www.compel.ru

Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
OPA209AID
OPA209AID
Texas Instruments
Арт.: 623679 PDF AN RD
Поиск
предложений
OP AMP, 18MHZ, 6.4V/US, 0.15MV, SOIC-8
OPA209AID
-
Поиск
предложений
OPA209AIDGKR
OPA209AIDGKR
Texas Instruments
Арт.: 623680 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
2.2NV/HZ NOISE, LOW-POWER, 36V, OPERATIONAL AMPLIFIER
OPA209AIDGKR
-
Поиск
предложений
OPA209AIDGKT
OPA209AIDGKT
Texas Instruments
Арт.: 623681 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
IC OPAMP GP R-R 18MHZ 8MSOP
OPA209AIDGKT
-
Поиск
предложений
OPA209AIDBVR
OPA209AIDBVR
Texas Instruments
Арт.: 666161 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
2.2nV/rtHz, 18MHz, Precision, RRO, 36V Operational Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA209AIDBVR
-
Поиск
предложений
OPA209AIDBVT
OPA209AIDBVT
Texas Instruments
Арт.: 666162 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
2.2nV/rtHz, 18MHz, Precision, RRO, 36V Operational Amplifier 5-SOT-23 -40 to 125
OPA209AIDBVT
-
Поиск
предложений
THS3491IDDAT
THS3491IDDAT
Texas Instruments
Арт.: 2734644 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
900-MHZ, CURRENT FEEDBACK AMPLIFIER
THS3491IDDAT
-
Поиск
предложений
OPA2810IDGKR
OPA2810IDGKR
Texas Instruments
Арт.: 2790230 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Op Amps High Performance Low Cost Rail-to-Rail Input/Output HV FET Op Amps 8-VSSOP -40 to 125
OPA2810IDGKR
-
Поиск
предложений
THS3491IRGTR
THS3491IRGTR
Texas Instruments
Арт.: 2790301 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
High Speed Operational Amplifiers 900-MHz, High Power Output, Current Feedback Amplifier 16-VQFN -40 to 85
THS3491IRGTR
-
Поиск
предложений
OPA2810IDCNT
OPA2810IDCNT
Texas Instruments
Арт.: 3037436 ИНФО PDF AN RD
Поиск
предложений
Operational Amplifiers - Op Amps High Performance Low Cost Rail-to-Rail Input/Output HV FET Op Amps 8-SOT-23 -40 to 125
OPA2810IDCNT
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()