7.03. Пример схемы: прецизионный усилитель с автоматическим выбором нуля

Для иллюстрации предшествующих рассуждений мы спроектировали схему прецизионного декадного усилителя с автоматическим поиском начального уровня. Такое устройство позволяет зафиксировать некоторое значение входного сигнала и усиливать его последующие отклонения от этого уровня с коэффициентом, точно равным 10, 100 или 1000. Это окажется весьма удобным в эксперименте, при котором измеряется малое отклонение какой-нибудь величины (например, светопроницаемости или поглощения радиочастоты) при изменении условий эксперимента. Обычно трудно точно измерить малое изменение большого сигнала постоянного тока вследствие дрейфа и неустойчивости усилителя. В таком случае нужна схема с предельной прецизионностью и устойчивостью. Мы опишем методы и ошибки, которые мы допускали при проектировании этой конкретной схемы, в рамках общего описания процесса прецизионного проектирования и таким образом безболезненно изложим то, что иначе могло бы стать утомительным поучением. Одно предварительное замечание: заманчивой альтернативой к этой чисто аналоговой схеме могла бы стать цифровая аппаратура. (В следующих главах следите за захватывающими открытиями!). Проектируемая схема изображена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Лабораторный усилитель постоянного тока с автоподстройкой нуля.

Описание схемы. Основа схемы-повторитель (U₁), подключенный ко входу неинвентирующего усилителя с переключаемым коэффициентом усиления (U₂), выход которого смещается сигналом, приложенным к его неинвертирующему входу. Транзисторы Т₁ и Т₂ — это ПТ, они применяются как простые аналоговые ключи; Т₃-Т₅ используются для формирования необходимых уровней управления ключами от входного логического сигнала. Транзисторы Т₁-Т₅ можно заменить на реле или, если угодно, на выключатели. Можете представить их себе как простые однополюсные переключатели на одно направление (1П1Н).

В том случае когда логический входной сигнал имеет высокий уровень («хранение»), ключи замкнуты и U₃ заряжает аналоговый конденсатор «памяти» (С₁) до уровня, необходимого для поддержания нулевого выходного сигнала. При этом схема не делает «никаких попыток» отслеживать быстрые изменения выходного сигнала, поскольку в применениях, для которых предназначена эта схема, все сигналы - постоянного тока, и некоторое сглаживание является желательным свойством. Когда ключ размыкается, напряжение на конденсаторе фиксируется, в результате чего выходной сигнал оказывается пропорциональным последующему отклонению входного сигнала.

Перед дальнейшим детальным объяснением принципов работы данной прецизионной схемы следует остановиться на ее некоторых дополнительных особенностях, (a) U₄ включен в схему первого порядка компенсации тока утечки конденсатора С₁; конденсатор имеет тенденцию медленно разряжаться через собственное сопротивление утечки (минимум 100 ТОм, т. е. постоянная времени около двух недель!); при этом ток утечки компенсируется небольшим зарядным током через R₁₅, пропорциональным напряжению на С₁. (б) Вместо одинарного ПТ-ключа применены два ключа, которые соединены последовательно в «защищенное от утечки» устройство. Небольшой ток утечки Т₂ в положении «выкл» проходит на землю через R₂₃, поддерживая потенциал на всех выводах Т₁ в пределах милливольт по отношению к земле. Так как нет сколько- нибудь заметного перепада напряжений на Т₁, то нет и сколько-нибудь заметной утечки! (Подобные приемы см. в разд. 4.15 и на рис. 4.50.) (в) Запоминаемое напряжение с выхода ослабляется делителем напряжения на резисторах R₁₁-R₁₄ в соответствии с установленным коэффициентом усиления. Это делается, чтобы избежать трудностей с динамическим диапазоном и точностью U₃, так как ошибки дрейфа в схеме, запоминающей начальный уровень, не усиливаются на U₂ (подробности см. далее).

7.04. «Бюджет погрешностей» при проектировании прецизионной схемы

Для каждого вида схемной погрешности и соответствующей стратегии проектирования мы отведем несколько параграфов общей дискуссии, сопроводив их иллюстрацией предыдущей схемы. Схемные погрешности разделяются на следующие категории: а) погрешности элементов внешних цепей; б) погрешности ОУ или усилителей, связанные с входными схемами; в) погрешности ОУ, связанные с выходными схемами. Примерами таких категорий являются соответственно допуски резисторов, сдвиг входного напряжения и погрешности, связанные с конечной скоростью нарастания.

Давайте подсчитаем наш бюджет погрешности. В его основе лежит желание удержать погрешность, приведенную ко входу, в пределах 10 мкВ, дрейф выхода — ниже 1 мВ в 10 мин и точность коэффициента усиления — около 0,01 %. Как и в любом бюджете, отдельные составляющие получаются в процессе достижения компромисса между тем, что должно быть сделано и имеющейся технологией. В некотором смысле бюджет погрешности — это результат проектирования, а не его исходный пункт. Нам тем не менее удобней иметь его сейчас.

Бюджет погрешности (наихудшие значения)

1. Буферный усилитель U₁.

Погрешности напряжения, приведенные ко входу:

· Погрешности напряжения, приведенные ко входу:

· Температура… 1,2 мкВ/4 °C

· Время… 1,0 мкВ/мес

· Источник питания… 0,3 мкВ/100 мВ изменения

· Ток смещения x R_и … 2,0 мкВ/1 кОм R_и

· Нагрев от тока нагрузки… 0,3 мкВ на полной шкале 10 В

2. Усилительный каскад U₂.

Погрешности напряжения, приведенные ко входу:

· Температура… 1,2мкВ/4 °C

· Время… 1,0 мкВ/мес

· Источник питания… 0,3 мкВ/100 мВ изменения

· Токовый дрейф отклонения смещения… 1,6 мкВ/4 °C/1 кОм

· Нагрев током нагрузки… 0,3 мкВ при полной шкале (R_н >= 10 кОм)

3. Усилитель хранения U₃.

Погрешности напряжения, приведенные в выходу:

· Температурный коэффициент сдвига… 60 мкВ/4 °C

· Источник питания… 10 мкВ/100 мВ изменения

· Потери в конденсаторе (см. бюджет тока)… 100 мкВ/мин

· Прохождение заряда 10 мкВ

Погрешности тока, протекающего через C₁ (нужны для приведенного выше бюджета погрешности по напряжению):

Утечка конденсатора

— максимум (нескомпенсированная)… 100 пА

— типичная (компенсированная)… 10 пА

· Входной ток U₃… 0,2 пА

· Сдвиг напряжения U₃ и U₄/R₁₅ … 1.0 пА

· Утечка ΠΤ-ключа в состоянии «выкл»… 0,5 пА

· Утечка по печатной плате… 5,0 пА

Смысл различных «статей» этого бюджета будет выясняться по мере описания возможностей для выбора, возникающих при проектировании этой схемы. Будем следовать порядку перечисленных ранее категорий погрешностей: компоненты цепей, приведенные ко входу погрешности входного усилителя, погрешности выходного усилителя.

7.05. Погрешности внешних цепей

Степень точности источников опорного напряжения, источников тока, коэффициентов усиления усилителей и т. д. зависит от точности и стабильности резисторов, которые применяются во внешних цепях. Даже если прецизионность прямо не требуется, точность элементов все равно может дать значительный. эффект, например в подавлении синфазных помех в дифференциальном усилителе, собранном на ОУ (см. разд. 4.09), где отношения сопротивлении двух пар резисторов должны быть точно согласованы. Точность и линейность интеграторов и генераторов пилообразного напряжения зависят от свойств применяемых конденсаторов, равно как и характеристики фильтров, контуров настройки и т. д. Как мы увидим вскоре, в схеме существуют такие цепи, где точность значений компонент является критическим моментом, а есть и такие цепи, где она едва ли играет роль.