CC BY
159
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ
УДК 621:658.011.56
В. С. Титов, М. В. Бобырь, Н. А. Милостная, А. Л. Беломестная МЕТОД КОРРЕКЦИИ ДРЕЙФА НУЛЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Рассматривается оптико-электронная система, использующая операционные усилители для сравнения медленно изменяющихся сигналов, поступающих от датчиков. Описаны методы коррекции дрейфа нуля в существующих схемах. Предложен метод, позволяющий в режиме реального времени компенсировать напряжение смещения выходного сигнала.
Ключевые слова: операционный усилитель, дрейф нуля, коррекция нуля, оптико-электронная система.
В управляющих схемах различного оборудования для усиления медленно изменяющихся сигналов наиболее часто применяется схема неинвертирующего усилителя. При этом если интегральная схема построена на биполярных транзисторах, то напряжение смещения нуля достигает 15 мВ, если на полевых, — то до 30 мВ, кроме того, в выходном сигнале операционного усилителя (ОУ) присутствует аддитивная погрешность, обусловленная некоторой раз-балансировкой во входном каскаде. Схемотехническое решение указанной проблемы позволяет устранить как временной, так и температурный дрейфы выходного сигнала.
Сбор и обработка информации, поступающей от датчиков, — одна из наиболее важных функций оптико-электронной системы. При этом для обработки и анализа аналоговых сигналов практически во всех схемах используются ОУ, недостатком которых является дрейф уровня выходного напряжения или тока. К физическим причинам, вызывающим дрейф нуля, относятся такие факторы, как старение (нестабильность) источников питания и различных элементов схем, например транзисторов, низкочастотные шумы и помехи. Наиболее распространенный метод коррекции — использование глубоких отрицательных обратных связей и термокомпенсирующих элементов.
В традиционных методах коррекции дрейфа нуля используется периодическая коррекция начального уровня выходного сигнала путем формирования напряжения коррекции икор и последующего вычитания этого напряжения из входного напряжения усилителя за счет цепи обратной связи [1]. При этом для полной компенсации напряжения смещения ОУ необходимо, чтобы напряжение коррекции
и =-К^и
^ кор ТТ , см' Ки -1
где Ки — коэффициент усиления ОУ; исм — напряжение смещения ОУ.
Недостаток данного решения заключается в том, что для хранения значения напряжения коррекции используется „запоминающий" конденсатор, заряд которого изменяется под действием тока утечки и входного тока ОУ. Поэтому приходится период повторения импульсов
Метод коррекции дрейфа нуля операционных усилителей
73
устанавливать исходя из допустимой аддитивной погрешности, обусловленной неточностью хранения запомненного напряжения. При этом цепь коррекции содержит ключи, которые также влияют на остаточную погрешность. Если ключ выполнен на МОП-транзисторах, то погрешность цепи коррекции составляет 100 мкВ с учетом того, что паразитная емкость (емкость между затвором и каналом) МОП-транзистора порядка 10 пФ, емкость запоминающего конденсатора 1 мкФ, а изменение уровня запирающего импульса на затворе транзистора составляет 10 В. Применение микросхем выборки-хранения вместо конденсатора не позволяет устранить в полной мере указанные недостатки схемы компенсации дрейфа нуля на выходе ОУ.
Структурная схема оптико-электронной системы, позволяющей в режиме реального времени компенсировать дрейф нуля ОУ, приведена на рисунке [2, 3]. Данная система работает следующим образом. Импульсы напряжения ивх от оптического датчика 1 поступают на первый операционный усилитель ОУ1, где полученный сигнал сравнивается с эталонным значением напряжения, заданным на резисторе Я. Однако если не ограничить большое петлевое усиление операционного усилителя ОУ2, то появится дрейф нуля и произойдет непроизвольное включение коммутатора 2.
Разработанная оптико-электронная система может использоваться для широкого спектра систем управления различными объектами. Например, оптический датчик 1 контролирует размер обрабатываемой детали, и если ее параметры превышают заданное поле допуска, то с помощью коммутатора 2 можно включить в работу исполнительные механизмы в целях пространственного изменения положения шпинделей.
74 В. С. Титов, М. В. Бобырь, Н. А. Милостная, А. Л. Беломестная
Для коррекции дрейфа нуля предлагается использовать обратный преобразователь, выполненный на резисторе Я3, и преобразующий выходное напряжение ивых с ОУ1 в ток 12 = Чвых/Я3 . Входное напряжение ивх преобразуется в ток 11 =ивх/Я5 на резисторе Я5 [4].
Разность токов А/ = ¡1 -¡2 преобразуется в сигнал выходного напряжения ОУ2. Иными словами, резисторы Я3 и Я5 выполняют функцию сравнения входного напряжения ивх и выходного напряжения ивых обратного преобразователя, а ОУ2 и резистор Я4 выполняют функцию усилителя сигнала, пропорционального погрешности преобразования. При этом коэффициент усиления ОУ1 равен
К1 = Я2/ Я1 .
Для предотвращения режима самовозбуждения необходимо, чтобы /1 = /2. В противном случае, если ивых ^ 0, данное равенство выполняться не будет, следовательно, ОУ1 перейдет в режим самовозбуждения. Для исключения этой ситуации выходное напряжение ОУ2 должно быть равным нулю. Поэтому резисторы Я3 и Я5 следует выбирать исходя из соотношения
/ + /2 = ^+^вы^ = 0. (1)
12 Я5 Яз ^
Выходное напряжение ивых = KxUBX, тогда уравнение (1) примет вид
ивх _ К1ивх
R5 R3
(2)
Подставим значение коэффициента К1 в выражение (2):
Uвх _Rl/R2Uвх
откуда
R5 R3
R3 = (3)
Условие (3) необходимо выполнить для устранения режима самовозбуждения ОУ1.
Таким образом, если первый операционный усилитель ОУ1 переходит в режим самовозбуждения, то второй операционный усилитель ОУ2 вырабатывает сигнал обратной связи, пропорциональный погрешности усиления ОУ1 (см. рисунок). При этом коэффициент усиления ОУ2 рассчитывается как К2 = R4 /R3 .
Для использования второго операционного усилителя в диапазоне низких частот конденсатор C подключается параллельно резистору R4.
Рассмотренный в статье пример показывает, что цепь обратной связи, сигнал которой пропорционален погрешности преобразования, позволяет исключить режим самовозбуждения ОУ, т. е. дрейф нуля, и улучшить в целом характеристики оптико-электронной системы.
Как показали результаты исследований, разработанный метод коррекции дрейфа нуля операционных усилителей в оптико-электронных системах характеризуется малыми значениями временного и температурного дрейфа выходного сигнала. Предложенный метод может быть применен к различным системам управления широкого назначения, использующим для сравнения медленно изменяющихся сигналов операционные усилители.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ, № МК-470.2009.8.
список литературы
1. Nolan E. Demystifying auto-zero amplifiers // Analog Dialogue. 2000. N 34-1. Part 1 & 2.
2. Пат. 2379169 РФ. Кл. B 23Q15/00. Способ и устройство управления точностью обработки деталей / В. С. Титов, М. В. Бобырь, Е. С. Яхонтова // Изобретения. 2010. № 2.
Сравнительный анализ чувствительности транзисторных и ламповых видеоусилителей 75
3. Титов В. С., Бобырь М. В., Милостная Н. А. АСУ прогнозированием точности обработки деталей // Автоматизация в промышленности. 2008. № 4. С. 3—4.
4. Пат. 2371295 РФ. Кл. Б23Р11/02. Устройство обработки деталей на оборудовании с ЧПУ / В. С. Титов, М. В. Бобырь, Н. А. Милостная // Изобретения. 2009. № 30.
Виталий Семенович Титов
Максим Владимирович Бобырь
Наталья Анатольевна Милостная
Анна Леонидовна Беломестная
Сведения об авторах
д-р техн. наук, профессор; Курский государственный технический университет, кафедра вычислительной техники; E-mail: [email protected]
канд. техн. наук, доцент; Курский государственный технический университет, кафедра вычислительной техники; E-mail: [email protected]
канд. техн. наук; Курский государственный технический университет, кафедра вычислительной техники; E-mail: [email protected]
аспирант; Курский государственный технический университет, кафедра вычислительной техники; E-mail: [email protected]
Рекомендована кафедрой вычислительной техники
Поступила в редакцию 14.04.10 г.
УДК 621.391.822:621.375,121
В. Н. Масленников
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТРАНЗИСТОРНЫХ И ЛАМПОВЫХ ВИДЕОУСИЛИТЕЛЕЙ
Рассматриваются шумовые характеристики ламп и транзисторов в видеоусилителях, работающих от электровакуумной передающей телевизионной трубки (источника тока). Получены соотношения, позволяющие выбрать активный элемент, наиболее подходящий по шумовым характеристикам для видеоусилителя.
Ключевые слова: чувствительность, шумы, видеоусилитель, активный элемент, телевизионный датчик.
В телевизионных датчиках в качестве преобразователей свет—сигнал чаще всего в настоящее время используются твердотельные матрицы, а видеоусилители выполняются на транзисторах. Однако существуют специфические области применения телевизионных устройств и систем (например, в радиационной среде), где приходится использовать электровакуумные приборы, в том числе электронные лампы и передающие трубки.
Чувствительность ТВ-датчиков в значительной степени определяется шумами предварительного видеоусилителя. Особенностью таких усилителей является то, что они работают от источника тока, зашунтированного выходной паразитной емкостью.
В настоящей статье сравниваются шумы видеоусилителей, выполненных на электронных лампах и транзисторах.
В видеоусилителях, используемых в ТВ-датчиках, основными являются дробовые, тепловые и фликкер-шумы. На рис. 1 и 2 соответственно представлены шумовые эквивалентные схемы электронной лампы [1] и биполярного транзистора [2], где приняты следующие обозначения:
