Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 24

Другой эффект, который нами еще не рассмотрен, состоит в том, что реальный операционный усилитель не является идеальным также и в статике. Одно из проявлений неидеальности - смещение (аддитивная помеха), обусловленное током смещения усиливающих элементов на входе операционного усилителя. Эти элементы таковы, что во входных клеммах должен течь малый ток, который называется входным током смещения. Любая асимметрия на входе схемы также вызовет появление ошибок смещения в выходном напряжении. Зная выходное напряжение, можно определить (простым делением выходного напряжения на A₀) соответствующее ему входное напряжение, называемое напряжением смещения, приведенным ко входу. Напряжение смещения V_offи входной ток смещения I_bias  почти полностью определяются типом усилительного элемента во входном каскаде операционного усилителя. Мы уже упоминали, что можно компенсировать эти ошибки смещения. Однако V_off и I_bias изменяются также с температурой, поэтому при различных температурах компенсация не будет полной и остаточное смещение сохранится.

Значения напряжения смещения V_оffи входного тока смещения I_bias зависят от элементов во входном каскаде операционного усилителя. В случае интегральных биполярных транзисторов напряжение смещения составляет приблизительно 10 мкВ с температурной чувствительностью около 0,3 мкВ/К, а входной ток смещения равен примерно 4 нА с температурной чувствительностью 25 пА/К. Для интегрального операционного усилителя, у которого на входе имеются полевые транзисторы с управляющим р – п переходом, эти значения равны соответственно 250 мкВ, 8мкВ/К, 30 пА и 3 пА/К. Когда в качестве входных элементов используются МОП-транзисторы, соответствующие величины равны: 200 мкВ, 3 мкВ/К, 20 пА и 0,1 пА/К. (Относительно большой входной ток смещения вызван схемой защиты транзисторов от пробоя статическим электричеством).

Тем не менее, в большинстве случаев современные интегральные операционные усилители являются более чем подходящими для построения очень хороших измерительных усилителей.

В тех случаях, когда смещение должно быть минимальным, иногда вместо обычного усилителя постоянного тока следует воспользоваться усилителем постоянного тока с преобразованием. В усилителе постоянного тока с преобразованием с помощью нелинейной операции (посредством модуляции) входное напряжение с постоянной составляющей преобразуется в амплитудно-модулированный сигнал. Затем этот переменный сигнал усиливается, после чего демодулируется, снова превращаясь в сигнал с постоянной составляющей. Остающиеся при этом высокочастотные составляющие отфильтровываются выходным фильтром нижних частот. Применяя модуляцию, можно достичь меньших значений V_offи I_bias, чем в случае обычного усилителя постоянного тока.

Наиболее часто применяемый тип модулятора – переключающий модулятор, в котором очень быстро изменяется полярность входного сигнала. Говорят, что такой модулятор действует по принципу прерываний.

Усилитель постоянного тока с прерыванием можно объединить с обычным усилителем постоянного тока, чтобы создать так называемый усилитель с коррекцией дрейфа (см. рис. 3.42). Обычный усилитель постоянного тока должен иметь широкий частотный диапазон, но от него не требуется, чтобы он обладал очень хорошими свойствами по постоянному току. В схеме на рис. 3.42 напряжение V_o2представляет собой напряжение смещения этого усилителя А_о2 Расчеты показывают, что благодаря наличию усилителя А_о1 смещение схемы в целом уменьшается до значения V_o2 / А_о1. Чтобы избежать интерференции возможных высокочастотных составляющих сигнала с частотой прерываний, на входе усилителя с преобразованием включен фильтр нижних частот. Высокие частоты усиливаются только усилителем А_о2, тогда как низкие частоты – обоими усилителями А_o2и А_о1. Такой усилитель обеспечивает значительно меньшую ошибку смещения и очень большой коэффициент усиления в отсутствие обратной связи на низких частотах, равный А_о1 А_о2. Поэтому в случае, когда этот усилитель используется в схеме с обратной связью, как показано на рис. 3.42, на низких частотах можно получить заданное значение коэффициента усиления с высокой точностью.

Рис. 3.42. Схема усилителя с коррекцией дрейфа. А_o1 - низкочастотный усилитель, действующий по принципу прерываний, А_о2 - обычный широкополосный усилитель постоянного тока.

В измерительном усилителе (см. рис. 3.43), как правило, имеется возможность регулировать и точно задавать коэффициент усиления, и часто также можно изменять ширину полосы. Измерительный усилитель имеет встроенный источник питания, который бывает сконструирован так, чтобы помехи сети и помехи, вводимые петлями заземления, были подавлены. Входной каскад соединен с остальной частью усилителя через трансформатор. Благодаря этому «плавающий» входной каскад может выдерживать очень большие напряжения синфазного сигнала (до 1 кВ) без насыщения усилителя. Часто входной каскад не является, в действительности, дифференциальным усилителем. Входы такого квази-дифференциального усилителя обозначаются символами «Hi» и «Lo», где клемма «Lo» соединена с «землей» плавающего входного усилителя. Плавающий входной каскад заключен в защитный экран, на который подается напряжение синфазного сигнала с целью избежать мешающего влияния паразитной емкости между плавающим входным каскадом и землей. Подробнее это было объяснено в разделе 2.3.3.3 (см. рис. 2.51).

Приведем в качестве примера параметры двух измерительных усилителей.

Измерительный усилитель постоянного тока

- коэффициент усиления регулируется от 10² до 10⁵ с точностью 10^-4;

- температурный коэффициент усиления 10 ⁵ К^-1;

- статическая нелинейность во всем диапазоне < 5 * 10^-6;

- входное сопротивление 50 МОм, выходное сопротивление 1 Ом;

- ширина полосы регулируется от 0,01 Гц до 10 Гц;

- коэффициент ослабления синфазного сигнала 10⁷ (f < 50 Гц);

- эквивалентный входной шум (в полосе 0,1 Гц) 2 нВ;

Рис.3.43. Полная схема измерительного усилителя.

- температурный дрейф нуля 1нВ/К.

Широкополосный измерительный усилитель