5.1 Разработка точных схем на операционных усилителях



==292

Задачи измерения и управления часто предполагают использование прецизионных устройств. Контролирующие схемы должны быть точны, устойчивы к температурным колебаниям, стабильны во времени и предсказуемы. Полезность измерительного прибора определяется надёжностью и постоянством его характеристик. Почти во всех областях электроники желательно решать измерительные задачи с возможно большей точностью, вплоть до перфекционизма. Ведь можно же, в конце концов, и удовольствие получить от полного понимания происходящих явлений, даже если высокая точность не требуется .

5.1.1 Точность и динамический диапазон

Очень легко спутать понятия «точность» и «динамический диапазон» , так как некоторые приёмы используются для улучшения обеих характеристик. Разберём разницу на примерах. Пятиразрядный вольтметр - прецизионный прибор: измерения производятся с точностью 0.01% или лучше. Он имеет широкий динамический диапазон, и не меняя диапазона можно измерять напряжения от единиц милливольт до вольт. Лабораторный усилитель ( с набором из трёх коэффициентов усиления 1, 10 и 100 ) и прецизионный источник опорного напряжения могут иметь очень высокую точность, но совершенно не обязаны иметь широкий динамический диапазон. Примером устройства с широким динамическим диапазоном, но посредственной точностью, является 6-декадный логарифмический усилитель, собранный на тщательно подстроенных ОУ, но с пассивными компонентами 5-процентной точности. Даже использование прецизионных компонентов может не дать требуемой точности из-за не вполне идеальной логарифмической характеристики преобразования, обусловленной температурным дрейфом параметров транзисторов.



==293

Другим примером прибора с широким динамическим диапазоном ( диапазон входных токов превышает 10'000:1 ), но средней точностью ( 1% ), является кулонометр из ##§9.26 предыдущей редакции книги. Он разрабатывался для контроля общего заряда, проходящего через электрохимическую ячейку, и точности 5% для этой величины будет вполне достаточно, но проходящий ток может колебаться в очень широких пределах, а накопления ошибки хотелось бы избежать. Общее требование к схеме с с широким динамическим диапазоном: смещения должны допускать подстройку до такого уровня, при котором обеспечивается требуемая точность для сигналов вблизи нуля. Но, кроме этого, нужны прецизионные компоненты, стабильные опорные источники и серьёзное отношение к каждому возможному источнику ошибок, чтобы удержать итоговый результат в пределах отпущенного бюджета.

5.1.2 Бюджет ошибок

Несколько слов о бюджете ошибок. Новички часто думают, что несколько точных компонентов, поставленных в самые важные места, помогут получить нужную точность всей схемы. Бывает, конечно, и так, но даже 0.01% резисторы и дорогостоящие ОУ не помогут достичь нужных параметров, если входной ток усилителя, умножаясь на сопротивление источника сигнала, создаёт напряжения смещения в десятки милливольт. Практически в каждом устройстве бывают ошибки, которые могут возникнуть где угодно, и основной задачей является их учёт, и, при отсутствии других причин, замена конкретного компонента или исправление схемы. Бюджет ошибок рационализирует разработку, показывая во многих случаях, где будет достаточно недорогих компонентов, и позволяя, в конечном счёте, точно предсказать характеристики.

Чтобы добавить немного интриги, заметим, что в инженерном сообществе есть некоторые разногласия в отношении бюджета ошибок. Одна группа ( которую можно назвать «ортодоксальными конструктивистами» ) утверждают:

Эта идея позволяет сделать самый плохой выбор из всех возможных и виновна в отступлении от хорошей инженерной практики. Например, если в схеме есть 18 резисторов, определяющих усиление, каждый из которых имеет точность ±1%, то гарантированная точность всей схемы будет ±18%.

В ответ другая группа ( назовём их «прагматиками» ) заявляет:

Вздор, такие ограничения слишком поверхностны, и чтобы привести к серьёзным ограничениям требуется чрезвычайное сочетание неблагоприятных событий. Со случайностями можно бороться с помощью отбора компонентов, выходным контролем параметров и т.п. процедурами.

К этому спору стоит возвратиться ( и присоединиться к какой-либо партии ) после рассмотрения вводного примера.



==293