==xi

Часть 5. Точные схемы

• Часть 5 Точные схемы 292
• 5.1 Разработка точных схем на операционных усилителях 292
• 5.1.1 Точность и динамический диапазон 292
• 5.1.2 Бюджет ошибок 293
• 5.2 Пример: милливольтметр ( повторение пройденного ) 293
• 5.2.1 Задача: 10 mV, 1%, 10 MΩ, однополярное питание 1.8 V 293
• 5.2.2 Решение: прецизионный источник тока с рабочим диапазоном вплоть до уровней питания 294
• 5.3 Информация к размышлению: параметры, не попавшие в бюджет ошибок 295
• 5.3.A Неуказанные параметры: прагматичный подход 296



==xii

• 5.4 Ещё пример: точный усилитель с компенсацией постоянного смещения 297
• 5.4.1 Описание схемы 297
• 5.5 Бюджет ошибок точной схемы 298
• 5.5.1 Бюджет ошибок 299
• 5.6 Параметры компонентов как источник ошибок 299
• 5.6.1 Резисторы, задающие усиление 300
• 5.6.2 Конденсатор хранения 300
• 5.6.2.A Утечки 300
• 5.6.2.B Диэлектрическая абсорбция 300
• 5.6.3 Цепь установки нулевого уровня 300
• 5.7 Входные ошибки усилителя 301
• 5.7.1 Входной импеданс 302
• 5.7.2 Входной ток I_b 302
• 5.7.2.A Влияние температуры на входной ток 303
• 5.7.2.B Влияние уровня синфазного сигнала на входной ток 304
• 5.7.3 Напряжение смещения 304
• 5.7.4 Коэффициент ослабления синфазного сигнала 305
• 5.7.5 Коэффициент ослабления источника питания 306
• 5.7.6 Схема усилителя с компенсацией постоянного смещения: входные ошибки 306
• 5.8 Выходные ошибки усилителя 307
• 5.8.1 Скорость нарастания: общие соображения 307
• 5.8.2 Рабочая полоса и время установления 308
• 5.8.3 Переходные искажения и выходной импеданс 309
• 5.8.4 Умощняющий буфер с единичным усилением 311
• 5.8.5 Ошибка усиления 312
• 5.8.6 Нелинейность усиления 312
• 5.8.7 Фазовая ошибка и «активная компенсация» 314
• 5.9 RRIO усилители: хороший, плохой, злой 315
• 5.9.1 Проблемы на входе 316
• 5.9.1.A Смена направления входного тока 316
• 5.9.1.B Изменение знака входного смещения 316
• 5.9.2 Проблемы на выходе 316
• 5.9.2.A Выходной импеданс 316
• 5.9.2.B Насыщение вблизи уровней питания 317
• 5.9.2.C Искажения 318
• 5.9.2.D Выходной каскад по схеме Монтичелли 318
• 5.10 Выбор точного операционного усилителя 319
• 5.10.1 «Семь точных усилителей» 319
• 5.10.2 Количество усилителей в корпусе 322
• 5.10.3 Напряжение питания, диапазоны сигналов 322
• 5.10.4 Работа с одним источником питания 322
• 5.10.5 Напряжение смещения 323
• 5.10.6 Напряжение шума 323
• 5.10.6.A Шум вида 1/f 324
• 5.10.7 Входной ток 325
• 5.10.7.A Измерение входного тока 325
• 5.10.8 Токовый шум 326
• 5.10.9 КОСС и КОИП 328
• 5.10.10 GBW, f_T, скорость нарастания, «m» и время установления 328
• 5.10.10.A Сопутствующие обстоятельства: GBW и f_T 328
• 5.10.10.B Стулья и табуретки 329
• 5.10.11 Искажения 329
• 5.10.11.A Искажения: некоторые замечания 330
• 5.10.12 «Два из трёх не так плохи»: создание идеального операционного усилителя 332
• 5.10.12.A Пример разработки: прецизионный сильноточный пьезо-позиционер 332
• 5.11 Усилители с автоматической подстройкой нуля 333
• 5.11.1 Свойства ОУ с автоподстройкой нуля 334
• 5.11.2 Где используют усилители с автоподстройкой нуля 338
• 5.11.3 Выбор усилителей с автоподстройкой 338
• 5.11.4 Прочие вопросы, касающиеся автоподстройки нуля 340
• 5.11.4.A «Чоппер» с связью по переменному току 340
• 5.11.4.B Температурное смещение 340
• 5.11.4.C Усилители с самокалибровкой при включении питания 341
• 5.11.4.D Конкуренты, не относящиеся к чопперам 341
• 5.11.4.E Схемы внешней автоподстройки 341
• 5.11.4.F Инструментальные усилители с автоподстройкой 342
• 5.11.4.G Не стоит ждать милостей от промышленности 342
• 5.12 Примеры для подражания: точные цифровые вольтметры Agilent 342
• 5.12.1 Это невозможно! 342
• 5.12.2 Таки возможно! 342
• 5.12.3 Упрощённая блок-схема 343
• 5.12.4 Входная схема 6½-разрядного 34401A 343
• 5.12.5 Входные цепи 7½-разрядного 34420 A 344
• 5.12.5.A Двухкаскадная петля установки усиления 345
• 5.12.5.B Полевые транзисторы: питание и уход 346
• 5.12.5.C Усиление от ×1 до ×10'000 с точностью до 0.1 ppm 346
• 5.12.5.D Субнановольтовый шум усилителя 346
• 5.12.5.E Выход за специфицируемые пределы 347
• 5.13 Разностные, дифференциальные и инструментальные усилители 347
• 5.14 Разностные усилители 348
• 5.14.1 Принципы работы 348
• 5.14.2 Некоторые области применения 349
• 5.14.2.A Однополярный вход 349
• 5.14.2.B Развязка контуров земли 349
• 5.14.2.C Измерение тока 349
• 5.14.2.D Источники тока 350
• 5.14.2.E Мощные драйверы балансных линий 351
• 5.14.2.F Передача аудио сигнала по витой паре 352
• 5.14.3 Параметры 352
• 5.14.3.A Входной импеданс 352
• 5.14.3.B Входной диапазон синфазного сигнала 354
• 5.14.3.C Рабочая полоса 355
• 5.14.4 Варианты внутренней схемотехники 355
• 5.14.4.A Выводы для внешних фильтров 355
• 5.14.4.B Подстройка смещения 355
• 5.14.4.C Подстройка КОСС 356
• 5.14.4.D Смещение при однополярном питании 356
• 5.15 Инструментальные усилители 356
• 5.15.1 Первая грубая прикидка 357
• 5.15.2 Классический инструментальный усилитель на трёх ОУ 357
• 5.15.3 Соглашения по входным каскадам 358
• 5.15.3.A Согласование резисторов 358
• 5.15.3.B Входные усилители 358
• 5.15.3.C Перегрузка входного каскада 358
• 5.15.3.D Защита сигнальных цепей 358
• 5.15.3.E Блоки питания с вольтодобавкой 359
• 5.15.4 «Одноплатный» инструментальный усилитель 359
• 5.15.5 Этюд о надёжной защите входов 362
• 5.16 Несколько дополнительных замечаний по инструментальным усилителям 362
• 5.16.1 Входной ток и шум 362
• 5.16.2 Подавление синфазного сигнала 364
• 5.16.2.A Зависимость КОСС от частоты 364
• 5.16.2.B Практический пример: увеличение КОСС с помощью предусилителя 365
• 5.16.3 Импеданс источника и КОСС 365
• 5.16.4 Электромагнитная интерференция и защита входных цепей 365
• 5.16.5 Подстройка КОСС и смещения 366
• 5.16.6 Подключение выводов «REF» и «SENSE» возле нагрузки 366
• 5.16.7 Путь входного тока 366
• 5.16.8 Размах выходного сигнала 366
• 5.16.9 Примеры схем: источники тока 367
• 5.16.10 Прочие конфигурации 368
• 5.16.11 Автоподстройка нуля и чопперы среди инструментальных усилителей 370
• 5.16.12 Инструментальные усилители с программируемым усилением 370
• 5.16.13 Получение дифференциального выходного сигнала 372
• 5.17 Полностью дифференциальные усилители 373
• 5.17.1 Дифференциальные усилители: основные понятия 374
• 5.17.1.A Усиление 374
• 5.17.1.B Входной импеданс 376
• 5.17.1.C Однополярный вход 376
• 5.17.1.D Подавление синфазного сигнала 376
• 5.17.1.E Однополярный выход. 377
• 5.17.1.F Вывод «Vocm» для задания средней точки сигнала 378
• 5.17.1.G Диапазон входного синфазного сигнала 378
• 5.17.1.H Обратная связь по напряжению и по току 378
• 5.17.1.I Резисторы задания коэффициента усиления 378
• 5.17.1.J Выходной импеданс для синфазного сигнала 379
• 5.17.2 Пример использования дифференциального усилителя: широкополосная аналоговая линия передачи 380
• 5.17.3 АЦП с дифференциальными входами 380
• 5.17.3.A Первый вариант: драйвер АЦП с однополярным питанием и смещением, задаваемым через вывод «Vocm» 380
• 5.17.3.B Второй вариант: однополярный входной усилитель с нулевым синфазным напряжением 381
• 5.17.3.С Третий вариант: трансформаторная развязка 382
• 5.17.4 Согласование импедансов 382



==xiii

• 5.17.5 Выбор дифференциального усилителя 383
• 5.17.5.A Напряжение питания, RR возможности выхода 383
• 5.17.5.B Входной синфазный сигнал и отрицательный уровень питания 384
• 5.17.5.C Низкий входной импеданс Z_in 384
• 5.17.5.D Напряжение смещения, КОСС 384
• 5.17.5.E Фиксированное усиление, задание усиления внешним резистором 384
• 5.17.5.F VFB, CFB, f_3dB, GBW и фильтры 385
• 5.17.5.G Выброс на АЧХ, GBW и полоса по уровню 0.1 dB 385
• 5.17.5.H Скорость нарастания, время установления, полоса для большого сигнала 385
• 5.17.5.I Искажения 386
• 5.17.5.J Шум, высокочастотные точки перегиба вида 1/f на графике шума 386
• Обзор Части 5 388
• @A. Точность и динамический диапазон 388
• @B. Бюджет ошибок 388
• @C. Строгий и прагматичный подход 388
• @D. Ошибки компонентов - резисторы 388
• @E. Ошибки компонентов - конденсаторы и твердотельные ключи 388
• @F. Входные ошибки усилителей 388
• @G. Выходные ошибки усилителей 389
• @H. Rail-to-rail усилители 389
• @I. Усилители с автоподстройкой нуля 389
• @J. Разностные, дифференциальные и инструментальные усилители: классификация 390
• @K. Разностные усилители 390
• @L. Инструментальные усилители 390
• @M. Полностью дифференциальные усилители 390



==xiii