Электроника и микропроцессорная техника

Погрешности усилителей, влияние помех

Для усилителей всех типов характерна мультипликативная погрешность, связанная с
нестабильностью коэффициента  передачи,  вызванной технологическими причинами или влиянием  внешней среды. Мультипликативная погрешность выходного напряжения прямо пропорциональна  величине входного напряжения, её источники и величина могут быть найдены из аналитического выражения для коэффициента передачи .Так например, для транзисторного усилителя, рассмотренного выше, формула коэффициента усиления имела вид:

Кu.= ?_* R?н/ Rвх.тр.ос= ?_* R?н/[ h11э+ Rэ (h21э+1)] = ?_* R?н/[ h11э+ Rэ ( ? +1)] .

Ранее было показано, что коэффициент передачи базового тока в коллектор — ? имеет большой технологический разброс, его величина зависит также от температуры,  частоты, величины коллекторного тока и ,следавательно,является основным источником погрешности.
В таком случае абсолютную погрешность  коэффициента Кu. можно найти как:

и относительная погрешность будет равна:

Отсюда видно ,что относительная погрешность Кu  зависит от величины сопротивления ООС по переменному току Rэ, таким образом, основным способом  её уменьшения является  увеличение Rэ, т.е.увеличение глубины обратной связи (петлевого усиления), как это было показано в общей теории обратной связи в усилителях. Следует отметить, что данный способ применим главным образом для уменьшения  дополнительной
составляющей относительной погрешности (в основном температурной), что касается основной составляющей, то она устраняется при настройке схемы регулировкой величины Rэ. Что касается  аддитивной погрешности усилителя переменного сигнала (дрейфа выходного напряжения), то она отсутствует, поскольку между выходом усилителя и нагрузкой находится разделительный конденсатор (С2 на рис.45).

Для усилителей постоянного тока ,в частности  операционных, характерны оба вида погрешностей. Рассмотрим их влияние на примере инвертирующего операционного усилителя, показанного на рис.67, полагая ОУ «идеальным».Из формулы коэффициента усиления Квнеш.=  Uвых./ Uвх = —  R₂/ R₁  следует, что источником мультипликативной погрешности является нестабильность резисторов отрицательной обратной связи, пользуясь приведенной выше методикой, легко показать, что:

 , или поскольку погрешности резисторов не кореллированы между собой:

Основная составляющая  приведенной погрешности может быть скомпенсирована при настройке схемы регулировкой резисторов обратной связи, кроме того целесообразно применить прецизионные резисторы в цепи отрицательной обратной связи. Дополнительнкая
мультипликативная  погрешность зависит от термостабильности параметров резисторов цепи обратной связи:

 где: ТКR– температурный коэффициент резистора,

— температурный диапазон работы схемы усиления.
Практически приемлемую компенсацию указанной погрешности можно получить , увеличивая петлевое усиление.

Аддитивная погрешность инвертирующей схемы усиления на базе ОУ возникает благодаря действию на входе напряжения смещения и входных токов, схема поясняющая действие этих факторов, приведена на рис.77.

Рис.77. Источники аддитивной погрешности.

Iвх-,Iвх+ -эквивалентные генераторы входных токов
инвертирующего и неинвертирующего входов,

Uсм. – источник напряжения смещения,

R3 – компенсирующий резистор.

Основная составляющая аддитивной погрешности может быть представлена следующим образом:

В приведенной формуле зеркальное чередование знаков  у второго и третьего членов
объясняется свойством соответствующих входов ОУ по разному ( с разным знаком или фазой) передавать входной сигнал на выход о чем говорилось выше. Анализ приведенной формулы позволяет сделать ряд рекомендаций по уменьшению основной аддитивной погрешности, а именно:

1. обеспечить равенство R3 = R1*R2/(R1+R2) ,исключив тем самым влияние входных токов,
2. минимизировать  величины R1,R2 с целью уменьшения влияния тока сдвига,
3. схемотехнически предусмотреть возможность балансировки операционного усилителя, исключив тем самым влияние Uсм и тока сдвига.

Дополнительная аддитивная погрешность возникает из-за термонестабильности таких
параметров как напряжение смещения и ток сдвига:

?U?вых=Квнеш.[m*?t^о±n*?t^о*R1*R2/(R1+R2)]

Компенсация  влияния этой погрешности представляет собой наиболее трудную задачу особенно для схем, работающих в широком температурном диапазоне. Помимо очевидного способа — увеличения петлевого усиления цепи отрицательной обратной связи в ряде случаев используются так называемые методы функциональной избыточности, предполагающие введение в усилительную схему дополнительных элементов. К устройствам подобного типа относятся рассмотренные ранее усилители с преобразованием спектра входного сигнала и двухканальные усилители. Известны также усилители с периодической коррекцией дрейфа выходного напряжения, суть метода периодической коррекции заключается  в прерывании процесса усиления входного сигнала на время, достаточное для запоминания текущего значения напряжения дрейфа на выходе на конденсаторе с последующим алгебраическим сложением запомненного напряжения с входным сигналом, упрощенная структурная схема такого  усилителя представлена на рис.78. Очевидным условием неискаженного усиления входного сигнала является выполнение теоремы Котельникова относительно  соотношения максимальной частоты в спектре входного сигнала  и частоты прерывания.

Рис.78. Принцип периодической коррекции дрейфа нуля

При замкнутом положении обеих переключателей процесс усиления сигнала прерывается и происходит заряд конденсатора текущим напряжением дрейфа, при разомкнутом — восстанавливается усиление входного сигнала с учетом  напряжения на конденсаторе. В реальных схемах этого типа применяются электронные ключи, синхронность работы которых обеспечивается тактовым генератором.

Влияние помех может ограничить динамический диапазон работы усилителя т.е. отношение максимального выходного напряжения к минимально различимой его величине. Наиболее опасны так называемые поперечные  (нормального вида) помехи ,дейст-
вующие между входными зажимами усилителя  аналогично полезному сигналу.

Продольные  (общего вида) помехи действуют между землей и входными зажимами усилителя и являются источником поперечной помехи. Механизм образования и действия помех поясняется на рис.79 на примере усиления термоэдс термопары, соединенной с усилителем длинной линией с сопротивлениями проводов r₁ и r₂. Комплексные сопротивления  Z1,Z2- между термопарой , экранирующим корпусом усилителя и землей образуются из-за емкостных связей, или при наличии заземления это могут быть сопротивления заземляющих шин, Z3- сопротивление земли между точками заземления. Величины указанных сопротивлений весьма неопределённы и зависят от многих условий: от способа заземления до влажности почвы. Напряжение эквивалентного источника продольной помехи (Uобщ.) может достигать десятков вольт из-за разности потенциалов между точками заземления за счет блуждающих токов , заземленных  электронейтралей, кроме того контур, образованный проводами r₁ и r_2, электросвязями Z1,Z2, Z3, пронизывается переменными электромагнитными полями , излучаемыми работающими электроустановками различного назначения.

Рис.79. Влияние помех на измерительный усилитель

За счёт токов, создаваемых источником  Uобщ., во входной цепи усилителя продольная помеха преобразуется в поперечную, поскольку  r_1, r₂ « R1, то Iобщ.= Uобщ./(Z1+Z2+Z3+r2) и напряжение поперечной помехи можно считать равным: Uнорм.= Iобщ.*r2.  Таким образом, для уменьшения влияния нормальной помехи следует уменьшать r2 и увеличивать остальные сопротивления контура, что практически затруднительно. Поэтому наиболее эффективным методом подавления нормальной помехи является  метод гальванического разделения входной и выходной цепей с помощью устройства гальванического разделения (УГР), рис.80.

Рис. 80. Измерительный усилитель с «плавающим входом»

Термином «плавающий вход» подчёркивается  то обстоятельство, что потенциал входа является неопределенным относительно экранирующего корпуса. В данном случае Zгр. может иметь очень большую величину, в связи с чем  Iобщ.= Uобщ./(Z1+Z2+Z3+r2+ Zгр) будет много меньше контурного тока помехи в предыдущем случае. В качестве УГР могут использоваться разделительные трансформаторы в усилителях переменного сигнала или в УПТ с преобразованием  МДМ , оптроны в выходных цепях усилителей постоянного и переменного сигналов , МОП переключатели и инверторы, имеющие хорошую гальваническую развязку сигнальной и выходной цепей. Для УПТ известен способ гальванической развязки с помощью «летающего» конденсатора (рис.81). В данном случае процесс усиления прерывается  с частотой много большей  частоты медленно меняющегося входного сигнала, который запоминается на конденсаторе и подается на вход усилителя гальванически развязанным с входной цепью.

Рис. 81. Принцип «летающего» конденсатора