Прецизионный операционный усилитель что это

Прецизионные операционные усилители

В измерительных устройствах необходимо усиливать без искажения слабые сигналы датчиков, сопровождаемые значительным уровнем синфазных, температурных и других помех. Прецизионные усилители, используемые для этих целей, должны обладать не только очень большими значениями коэффициентов усиления (более 10 5 ) и подавления синфазного сигнала, но и малым напряжением смещения нуля (не более 0,5 мВ) и его дрейфом, малым уровнем шумов и большим входным сопротивлением. Для построения такого усилителя, называемого иногда инструментальным и способного с большой точностью фиксировать эти параметры, обычно используются два-три ОУ общего применения с несколькими высокоточными, хорошо подобранными по температурным коэффициентам резисторами отрицательной обратной связи, от которых в значительной мерс зависит погрешность усиления.

Приемлемую схему инструментального усилителя можно получить, если на входе универсального ОУ использовать специальный прецизионный усилитель с небольшим коэффициентом усиления напряжения, но с высоким входным сопротивлением и малым дрейфом напряжения смещения. Такой входной каскад обеспечит точный прием и неискаженную передачу информации для дальнейшей обработки на универсальный ОУ, который, в свою очередь, обеспечит требуемый коэффициент усиления (более 10 5 ).

Рис. 6.10. Прецизионный ОУ типа КМ551УД1:

а — схема включения; б — принципиальная схема; в — схема цепей частотной коррекции

В настоящее время по этому принципу разработано несколько ОУ. Прецизионный усилитель КМ551УД1 имеет малое напряжение смещения нуля (менее 0,5 мВ), малые уровни дрейфа нуля и шумов и К > 10 6 . Но основным достоинством этого ОУ является то, что он позволяет поддерживать с высокой точностью большое значение коэффициента усиления операционного усилителя, замкнутого отрицательной обратной связью. Таким образом можно получить К = (1000 ± 0,3) %.

Характеристики данного усилителя обеспечиваются входным каскадом, который построен по простой дифференциальной схеме с резисторными нагрузками (рис. 6.10, а).

Для уменьшения дрейфов входные транзисторы VT1 и VT2 представляют как параллельные соединения двух транзисторов (рис. 6.10, б).

Амплитудно-частотная характеристика ОУ корректируется двумя цепями частотной коррекции (рис. 6.10, в).

Прецизионные операционные усилители

Далее перейдем к рассмотрению последних разработок прецизионных операционных усилителей National Semiconductor, основные параметры которых при напряжении питания 5 В приведены в таблице 2. В дополнение к параметрам операционных усилителей общего применения для прецизионных усилителей весьма важными являются температурный дрейф напряжения смещения, коэффициент усиления и коэффициенты подавления синфазных сигналов (Common Mode Rejection Ratio — CMRR) и влияния нестабильности напряжения питания (Power Supply Ripple Rejection — PSRR).

Семейства операционных усилителей LMC6081/2/4 и LMC6482/4 — с входом и выходом Rail to Rail выполнены по технологии CMOS и представляют типовые прецизионные операционные усилители, способные работать с однополярным питанием. Выпускаются также их микромощные аналоги с током потребления 20 мкА и пониженным быстродействием — LMC6061/2/4 и LMC6462/4. Область применения этих операционных усилителей — инструментальные усилители, устройства обработки сигналов, усилители сигналов пьезодатчиков и датчиков излучения, медицинская аппаратура (усилители биопотенциалов) и т.п.

Отличительной особенностью операционных усилителей LMC6001 является ничтожно малое типовое значение входного тока 10 фА и, соответственно, способность работать в электрометрических устройствах, приборах для измерения токов утечки, детекторах излучения, различной научной аппаратуре и т.п. Примечательна методика, используемая фирмой для тестирования каждой из только что изготовленных микросхем LMC6001 — 3 раза подряд в первую минуту. Экземпляры с входным током более 25 фА отбраковываются. Достоинством операционных усилителей является также низкий уровень шумов 22 нВ/Гц1/2 и наличие защиты от электростатического потенциала до 2000 В. Выпускается в корпусах MDIP и круглом металлостеклянном корпусе MCAN. Отметим, что успешное применение операционных усилителей с малыми входными токами возможно только при отсутствии токов утечки по поверхности монтажной платы. Величина этих токов может на несколько порядков превышать входные токи усилителя и, следовательно, вызвать значительное смещение его нуля. Выходом из положения является создание на печатной плате специальных охранных колец вокруг входов операционных усилителей или соединение входов усилителя с другими элементами схемы вне платы. Образцы рисунков печатных плат для монтажа усилителей со сверхмалыми входными токами имеются на сайте компании.

Малошумящие прецизионные операционные усилителеи LMV751 и LMV771/2/4 с выходом Rail to Rail и однополярным питанием выпускаются в миниатюрных корпусах и предназначены для применения во входных каскадах различной аппаратуры. Они отличаются повышенным быстродействием и малыми искажениями, что дает возможность использовать данные операционные усилители в высококачественной аппаратуре с низковольтным питанием.

Следует отметить, что National Semiconductor выпускает специальные операционные усилители — сдвоенный LM833 и счетверенный LM837 (в таблице не представлены) — для использования в аудиотехнике класса Hi-Fi. По своим параметрам эти усилители приближаются к прецизионным и отличаются малым напряжением смещения (0,3 мВ), высоким коэффициентом усиления (110 дБ), очень низким уровнем шумов в звуковом диапазоне (4,5 нВ/Гц1/2) и чрезвычайно малыми нелинейными искажениями (0,0015%). Операционные усилители скорректированы для любого коэффициента усиления вплоть до единичного, и наряду с использованием в предварительных УЗЧ их можно применять в самой различной аппаратуре для усиления слабых сигналов.

Последнее достижение National Semiconductor — это основанная на уникальной технологии непрерывной коррекции смещения на входе серия доступных по цене ультрапрецизионных операционных усилителей LMP2011/2/4 с ничтожно малыми величинами напряжения смещения (типовое значение 0,8 мкВ) и его температурного дрейфа (0,015 мкВ/°С). В отличие от операционных усилителей других фирм, в которых используется метод коррекции нуля сравнительно низкочастотной стабилизацией прерыванием [1], создающей значительные шумы и искажения сигнала, в LMP201x частота коррекции составляет 35 кГц, что позволяет перенести основной шумовой спектр в высокочастотную область, достигнув тем самым очень низкого уровня шумов и искажений в диапазоне частот до нескольких десятков килогерц. В целом совокупность великолепных характеристик операционных усилителей LMP201x, таких, как сверхмалое смещение и дрейф, весьма высокие для прецизионных операционных усилителей полоса пропускания и скорость нарастания выходного напряжения в сочетании с низкими шумами и малым потребляемым током, дает возможность применять эти микросхемы в широком классе устройств с повышенной точностью и температурной стабильностью.

В заключение обзора прецизионных операционных усилителей рассмотрим еще одну недавнюю разработку National Semiconductor — семейство прецизионных дифференциальных усилителей с фиксированным коэффициентом усиления и сверхшироким диапазоном входных синфазных напряжений LMP8270/1, предназначенных для применения в токоизмерительных устройствах, автомобильной электронике и других схемах, в которых необходимо выделить слабый дифференциальный сигнал на фоне очень большого синфазного напряжения.

Структура и типовая схема включения усилителя LMP8271 в схеме измерителя тока представлены на рис. 1. Микросхема содержит патентованное входное устройство сдвига уровня и двухкаскадный усилитель с общим коэффициентом усиления 20. LMP8270 отличается отсутствием вывода OFFSET. В типовой схеме включения связь между каскадами осуществляется через простейший RC-фильтр нижних частот с внешним конденсатором.

Структура и типовая схема включения усилителя LMP8271

операционный усилитель программируемый прецизионный

Усилитель LMP8270 выделяет входной сигнал только положительной полярности, в то время как LMP8271 может усиливать и отрицательный сигнал. Возможность усиления отрицательного входного напряжения VIN достигается благодаря сдвигу уровня выходного напряжения VOUT на некоторую постоянную величину согласно графикам, приведенным на рис. 2. Сдвиг производится подачей управляющего напряжения на специальный вход микросхемы LMP8271 OFFSET. Если вход OFFSET соединен с общим проводом, LMP8271 выделяет только положительный входной сигнал. При подаче на вывод OFFSET напряжения питания VS к выходному напряжению усилителя прибавляется половина напряжения питания, и таким образом вход усилителя становится биполярным. В принципе, на вход OFFSET можно подавать любое напряжение VX от 0 до VS, при этом к выходному напряжению прибавляется величина VX/2.

Рис. 2. Зависимость входного и выходного напряжения усилителя LMP8271 от управляющего сигнала OFFSET

Прецизионные операционные усилители

В измерительных устройствах необходимо усиливать без искажения слабые сигналы датчиков, сопровождаемые значительным уровнем синфазных, температурных и других помех. Прецизионные усилители, используемые для этих целей, должны обладать не только очень большими значениями коэффициентов усиления (более 10 5 ) и подавления синфазного сигнала, но и малым напряжением смещения нуля (не более 0,5 мВ) и его дрейфом, малым уровнем шумов и большим входным сопротивлением. Для построения такого усилителя, называемого иногда инструментальным и способного с большой точностью фиксировать эти параметры, обычно используются два-три ОУ общего применения с несколькими высокоточными, хорошо подобранными по температурным коэффициентам резисторами отрицательной обратной связи, от которых в значительной мере зависит погрешность усиления.

Приемлемую схему инструментального усилителя можно получить, если на входе универсального ОУ использовать специальный прецизионный усилитель с небольшим коэффициентом усиления напряжения, но с высоким входным сопротивлением и малым дрейфом напряжения смещения. Такой входной каскад обеспечит точный прием и неискаженную передачу информации для дальнейшей обработки на универсальный ОУ, который, в свою очередь, обеспечит требуемый коэффициент усиления (более 10 5 ).

В настоящее время по этому принципу разработано несколько ОУ. Прецизионный усилитель КМ551УД1 имеет малое напряжение смещения нуля (менее 0,5 мВ), малые уровни дрейфа нуля и шумов и К > 10 6 . Но основным достоинством этого ОУ является то, что он позволяет поддерживать с высокой точностью большое значение коэффициента усиления операционного усилителя, замкнутого отрицательной обратной связью. Таким образом можно получить К= (1000 ± 0,3) %.

Характеристики данного усилителя обеспечиваются входным каскадом, который построен по простой дифференциальной схеме с резисторными нагрузками (рис. 6.10, а).

Для уменьшения дрейфов входные транзисторы VТ1 и VТ2 представляют как параллельные соединения двух транзисторов (рис. 6.10, б).

Амплитудно-частотная характеристика ОУ корректируется двумя цепями частотной коррекции (рис. 6.10, в).

Мощные операционные усилители

Операционный усилитель К157УД1 представляет собой мощный усилитель с выходным током до 0,5 А, построенный по классической двухкаскадной схеме на основе полупроводниковой технологии с изоляцией p — n -перехода (рис. 6.11, а). Кристалл ОУ помещается в прямоугольный пластмассовый корпус, позволяющий рассеивать значительную мощность. Характеристики этого ОУ приведены на рис. 6.11, б.

Рис. 6.11. Схема включения (а) и частотные характеристики (б) мощного ОУ типа К157УД1

Операционные усилители в моделировании математических операций

С помощью ОУ можно моделировать различные математические преобразования. На базе этих элементов строятся аналоговые вычислительные машины.

На рис. 6.12, а представлена схема инвертирующего усилителя.

Для расчета элементов этого усилителя воспользуемся двумя положениями:

напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах равны, т.е. U₊ = U_— ;

входной ток усилителя равен нулю по любому из входов, т.е. 1₁ = 1₂=0.

В данной схеме U₊ = 0, а значит, и U_— = 0. Следовательно, входной ток 1_вх= U/R₁. Ток 1₂ протекающий через резистор R₂, равен U/R₂ .Так как ток I_вх = 1₂, то U_вх/R₁= U_вых/R₂ и коэффициент передачи

К =U_вых/ U_вх = R₂/R _1.

На рис. 6.12, б показана схема инвертирующего сумматора, выходной сигнал которого описывается выражением

U = — (U₁R / R₁ + U₂R /R₂ + U₃R /R₃ +. + U_nR /R_n)

Схема инвертора с регулируемым усилением изображена на рис. 6.12, в. Его выходной сигнал

U_вых= — KU /( 1— K)

Рис. 6.12. ОУ для моделирования математических операций:

а — инвертирующий усилитель; б — инвертирующий сумматор; в — генератор с регулируемым усилением; г — инвертор-усилитель с линейной зависимостью; д — повторитель; е — каскад вычитания; ж — усилительное вычитающее устройство; з — аналоговый интегратор и его частотная характеристика; и — идеальный дифференциатор и его частотная характеристика; к — логарифмический усилитель

Схема инвертора-усилителя с линейной зависимостью усиления от положения движка показана на рис. 6.12, г. Его передаточное уравнение имеет вид

где к — часть переменного сопротивления R₂.

В схеме повторителя, показанной на рис. 9.18, д, U_вых = U_вх.

В каскаде вычитания двух входных сигналов, показанном на рис. 6.12, е, выполняется следующее равенство: I_вх = I_вых. Тогда (U₁ – U₊)/R₁ =(U_вых – U₊)/R₁ и U₁— U₊ = U_вых + U₊ .

Учитывая, что U_— = U₂ / 2 = U₊, получим

Тогда выражение для выходного напряжения можно записать в виде

Схема усилительного вычитающего устройства показана на рис. 6.12, ж. Его передаточная функция описывается вы

Схема аналогового интегратора и его частотная характеристика показаны на рис. 6.12, з. Передаточная функция аналогового интегратора описывается выражением

Схема идеального дифференциатора и его частотная характеристика показаны на рис. 6.12, и. В этом каскаде для высоких частот коэффициент усиления принимает максимально возможное значение.

Схема логарифмического усилителя показана на рис. 6.12, к. Для этого каскада можно составить следующее уравнение:

где S— коэффициент пропорциональности.

Передаточная функция этого усилителя описывается выражением

где А — коэффициент передачи.

Во всех схемах с ОУ на свободный от функций входной вывод подключается резистор R₀, номинал которого определяется суммарным сопротивлением по другому входу.

Прецизионный усилитель LT1881 компании Analog Devices

К современному контрольно-испытательному оборудованию, а также различной измерительной технике предъявляются повышенные требования в плане обеспечения точности выходного сигнала. Как правило, в таких устройствах необходимо усилить слабый входной сигнал, который подается с датчика, при этом усиленный выходной сигнал должен максимально точно повторять форму входного сигнала без искажений и помех. Для этих целей использование операционных усилителей общего назначения неприемлемо вследствие их не очень больших коэффициентов усиления, немалых напряжений смещения нуля, относительно больших уровней шумов и малых входных сопротивлений. Всех этих недостатков лишены прецизионные операционные усилители, которые являются рациональным выбором для решения таких задач. В некоторых случаях помимо высокого коэффициента усиления, малых значений напряжения смещения, дрейфа нуля и входного тока требуется широкий диапазон питающего напряжения и выход rail-to-rail, при котором выходной сигнал может изменяться во всем диапазоне напряжения питания. Зачастую такие требования сопровождаются желанием использовать недорогие компоненты. Всем этим требованиям могут удовлетворить прецизионные усилители LT1881 компании Analog Devices. LT1881 представляют собой 2-канальный прецизионный усилитель с напряжением питания от 2,7 В до 36 В и выходом rail-to-rail. Так, выходное напряжение усилителя может изменяться в диапазоне от (–U_пит + 40 мВ) до (+U_пит – 220 мВ), что делает данный усилитель оптимальным решением для работы в низковольтных устройствах с однополярным источником питания, например, в устройствах с батарейным питанием. Хотя выходной сигнал может изменяться практически во всем диапазоне питающего напряжения, входной каскад ограничен диапазоном от (–Uпит + 1 В) до (+Uпит – 1 В). При выходе из данного диапазона коэффициент усиления может уменьшиться до 0, однако опрокидывание фазы не произойдет. Усилитель LT1881 характеризуется очень низким входным током смещения, максимальное значение которого составляет 200 пА. Это позволяет поддерживать высокую точность при использовании источников с высоким сопротивлением. Таких низких входных токов смещения удалось добиться благодаря применению встроенной схемы компенсации. Также за счет этого токи смещения неинвертирующего и инвертирующего входов являются некоррелированными. Но в данном случае не нужно пытаться сбалансировать входные сопротивления на каждой входной линии, как это обычно рекомендуется для большинства усилителей. Чтобы минимизировать суммарную ошибку цепи, сопротивление на каждом входе должно быть как можно меньше. Инвертирующие и неинвертирующие входные линии усилителя LT1881 имеют встроенную защитную цепь. На входах предусмотрена защита от электростатического разряда для предотвращения повреждений при работе с этими компонентами во время пайки, испытаний и т.п. Транзисторы на входах также имеют ограничивающие резисторы для защиты от перепадов входного напряжения до 10 В. Короткие переходные процессы выше этого уровня также будут допустимы. Если на входах предполагается появление дифференциального напряжения выше 10 В, то для защиты усилителя следует использовать внешние ограничивающие резисторы. Также данные усилители имеют очень малое напряжение смещения, максимальное значение которого составляет 50 мкВ, а дрейф напряжения смещения не превышает 0,8 μV/°C. Все это наряду со сверхмалым током смещения позволяет использовать их в составе высокоточных измерительных систем и инструментальных усилителей, способных работать в зашумленных помехами средах. Кроме того, благодаря расширенному диапазону рабочих температур от –55 °C до 125 °C усилитель LT1882MP может применяться в высокотемпературных приложениях. Одним из применений, где компоненты LT1881 могут стать оптимальным вариантом для усиления слабых сигналов с датчиков в зашумленных средах, являются схемы усиления сигналов с термопар и мостов Уитстона. На рисунке 1 показан пример использования LT1881, работающего в составе питаемого напряжением +3,3 В высокоточного цифрового термометра, способного измерять температуру в пределах от –50 °C до 600 °C. Здесь LT1881 усиливает слабый сигнал с моста Уитстона, в одном из плечей которого используется термометр сопротивления (RTD), обозначенный как RT. Усиленный сигнал затем поступает в цифровую систему сбора данных LTC1287, в основе которой лежит 12-разрядный АЦП.

Рисунок 1. Применение LT1881 в составе цифрового термометра.

Также данные усилители могут применяться совместно с ЦАП для формирования выходного сигнала и обеспечения опорного напряжения. На рисунке 2 представлена такая схема совместной работы 16-разрядного ЦАП LTC1597 и LT1881. Сам ЦАП питается лишь напряжением +5 В, а второй операционный усилитель в составе LT1881, питаемый напряжением ± 5 В, инвертирует опорное напряжение +5 В с использованием внутренних прецизионных резисторов ЦАП, формируя тем самым отрицательное опорное напряжение, позволяющее в свою очередь формировать на выходе ЦАП биполярные сигналы. Первый усилитель в составе LT1881 обеспечивает на выходе преобразование «ток-напряжение» и работает в качестве выходного буфера.

Рисунок 2. Совместная работа ЦАП LTC1597 и усилителей LT1881.

Прецизионный усилитель LT1881 компании Analog Devices сочетают в себе высокий коэффициент усиления, малые значения напряжения и тока смещения, низкий уровень шума, широкий диапазон питающего напряжения и выход rail-to-rail. Эти усилители благодаря сверхмалым входным токам смещения, напряжениям смещения и дрейфу отлично зарекомендовали себя для применения в высокоточных измерительных системах.