3.2.2 Парирование аддитивной составляющей погрешности усилителя

При измерениях физических величин часто возникает необходимость усиления медленно меняющихся сигналов. В этом случае, как указывалось выше, усилители не содержат разделительных элементов по постоянному току (конденсаторов или трансформаторов) и поэтому они способны усиливать постоянные напряжения или токи.

Как следствие, выходное напряжение в таком уси­лителе определяется не только входным сигналом, но и изменениями выходного напряжения от нестабильности режимов каскадов по постоянному току. Если закоротить вход усилителя на нулевую шину и подключить к его выходу вольтметр, то обнаружится, что выходное напряжение отлично от нуля; это напряжение называют смещением нуля усилителя.

Изменение условий работы усилителя (колебания окружающей температуры, напряжений питания и т.д.) приводят к изменениям величины смещения нуля, т.е. к его дрейфу. На выходе усили­теля изменение сигнала, вызванное дрейфом нуля, воспринимается как соответствующее изменение входного сигнала, что приводит к возникновению аддитивной погрешности измерительного усилителя. Поэтому при построении измерительного усилителя постоянного тока приходится заботиться не только о величине коэффициента усиления и его стабильности, но также и о снижении дрейфа нуля усилителя.

Для рассмотрения наиболее распространенного метода снижения дрейфа нуля (применение симметричных каскадов) недостаточна модель ОУ, принятая в п. 3.2.1. Необходимо рассмотреть принципиальную схему входного узла ОУ.

Такой узел содержит пары усилительных элементов — тран­зисторов, соединенных таким образом, что суммарный дрейф нуля каскада равен разности дрейфов входящих в него усилительных элементов. В качестве примера на рисунке 3.3 показана схема параллельно - симметричного каскада, часто используемая в микросхемах ОУ.

Выходное напря­жение этого каскада (U_ВЫХ) снимается с коллекторов транзисторов Т1 и Т2 как разность напряжений в коллекторах транзисторов. При этом увеличение напряжения на входе 1 (U_вх1) приводит к росту тока через транзистор Т1. А поскольку суммарный эмиттерный ток через транзисторы Т1 и Т2 постоянен (постоянство тока обеспечивает транзистор Т3), то увеличение тока через Т1 приводит к уменьшению тока через Т2.

Падения напряжений U_К1 и U_К2 в коллекторных цепях Т1 и Т2, равные произведениям токов на коллекторные сопротивления (4 кОм), будут изменяться в противоположных направлениях: если U_К1 растет, то U_К2 падает. Выходное напряжение каскада U_ВЫХ, равное разности коллекторных напряжений, следовательно, равно

U_ВЫХ= U_К1 – (- U_К2) = U_К1 + U_К2.

Если характеристики транзисторов Т1 и Т2 близки и одинаково реагируют на влияющие факторы (а в корпусе одной микросхемы это так), то изменение коллекторных напряжений от указанных факторов будет примерно одинаковы. Например, изменение температуры окружающей среды приведет к одинаковому изменению коллекторных напряжений транзисторов на U. Выходной сигнал узла станет равен:

U_ВЫХ = U_К1+ U – (- U_К2 + U) = U_К1+ U + U_К2 - U = U_К1+ U_К2.

В правую часть последнего выражения дрейф U не входит; следовательно, путем усложнения схемы ОУ, его удалось подавить.

Температурный дрейф нуля симметричных каскадов усилителей, выполненных по интегральной технологии, в силу не идеального совпадения параметров элементов, не удается подавить полностью, но он не превышает величин порядка 5—20 мкВ/К.

Дальнейшее снижение дрейфа связано со значительным усложнением усилителей, а именно, введением в их состав модуляторов, усилителей переменного тока и демодуляторов; такие усилители называются МДМ – усилителями.

В заключение рассмотрения ИП на базе операционных усилителей обратим внимание на использованные приемы подавления погрешностей: введение отрицательной обратной связи для снижения мультипликативной составляющей погрешности и использование разности сигналов двух ИП (усилителей) для подавления аддитивной составляющей погрешности.

Оба приема (введение отрицательной обратной связи и выделение разностного сигнала) широко используется при разработке ИП на различных физических эффектах, и они часто будут встречаться при рассмотрении конкретных типов ИП.