Результирующее выходное напряжение сдвига инвертора напряжения

(W+O-f/cMRz- (11.12)

Приобретя некоторый навык, можно записывать уравнения такого типа сразу, проводя необходимые рассуждения в уме. Входное напряжение сдвига

•сдв.вх~-сдв (1+1/2) + Гсм/?1 (11.13)

получается из уравнения (11.12) делением последнего на

-о„д=ад. (11.14)

Уравнение (11.13) можно было получить также прямо из рис. 11.4,6. Все три составляющие входного напряжения сдвига £сдв. вх в соответствии с уравнением (11.13) - величины взаимно независимые. Напряжение £сдв. вх не только в целом приводит к нулю напряжение на выходе инвертора, но и все его составляющие, которые соответствуют Ясдв, /"см. /"см.

Таким образом, когда присутствует только /~см, выходное напряжение иых равно нулю лишь тогда, когда через резистор /?2 не проходит ток. Для этого на вход в качестве первой составляющей Есдв ех необходимо подать напряжение +/~см/?. Вторая составляющая Ясдв. вх, выведенная в предположении наличия в схеме только тока /+см, при этом равна нулю. И наконец, при воздействии на схему только напряжения £сдв нап1ряжение на выходе схемы Ивых будет равно нулю лишь тогда, когда на вход подается третья составляющая Ясдв.вх, равная +Еска{1+Я\/Кг). Сложив эти три составляющие, мы получим уравнение (11.13).

Для удобства дальнейшего обсуждения уравнений (11.12) и (11.13) введем отношение

K=R2/Ri, (11.15)

которое с точностью до знака совпадает с идеальным коэффициентом усиления с обратной связью (Зид, и перепишем их в виде

сдв.вых = £сдв (К+ 1)+/"ом«2. (1 1.16)

•сдв.вх ~-одв

{\ + l/K) + l\R,. (11.17)

Составляющая от сдвига по напряжению. Напряжение сдвига операционного усилителя £сдв поступает на выход инвертора, будучи усилено в число раз, равное коэффициенту усиления шума

0ш = ад+1-/(+1=-0вд + 1, (11.18)

который близок по величине к коэффициенту усиления сигнала Chal xoтJLJecкQлы{cuшyшадeтGfcв

цу коэффициентами усиления шума и сигнала Gm и -0„д особенно заметно при малом К- Инвертор единичного усиления (-Оид=1, Gm = 2) усиливает напряжение сдвига операционного усилителя вдвое по сравнению с напряжением сигнала. Это один, но не основной недостаток параллельной операционной схемы, усиливаюшей напрял-сение, по сравнению с последовательной операционной схемой.

Различие в величинах коэффициентов усиления сигнала и шума проявляет себя и на входе. Составляющая Есдв!! + 1 C) входного напряжения сдвига (операционной схемы), вызванная наличием входного напряжения сдвига ОУ Есдв, больше последнего, и в инверторе с равным единице коэффициентом усиления (/<=!) эта составляющая равна 2£сдв.

Токовая составляющая. Ток смещения /см поступает в операционный усилитель не со входа через резистор Ru а с выхода через резистор R2. Это может показаться странным, но уравнение (11.16) подтверждает этот факт: после установки £сдв=0 выходное напряжение сдвига Есдв. вых = /"см/?2 не зависит от величины входного резистора Ri и не изменяется даже тогда, когда мы обрываем этот резистор.

Чтобы следовать процедуре, изложенной в разд. 11.2.2, желательно знать путь прохождения тока /~см. Однако наше утверждение противоречит тому, что следует из уравнения (11.17). Токовая составляющая входного сдвига инвертора напряжения вообще не зависит от сопротивления резистора обратной связи R2, и его величина I~cmRi свидетельствует о том, что ток /см идет через входной резистор Ri.

Оба утверждения правильны, и наблюдаемое явное разногласие имеет простое объяснение: уравнения (11.16) и (11.17) соответствуют двум разным состояниям инвертора, которые отличаются друг от друга только наличием или отсутствием в схеме генератора Есдв. вх.

Отношение сигнал/сдвиг. Входное напряжение сдвига сдв.вх позволяет оценить величину сдвига операционного усилителя по отношению к диапазону напряжения входного сигнала.

Рассмотрим операционный усилитель с £8=100 мкВ и /""см=100 нА, который используется в инверторе напряжения с коэффициентом усиления С„д = -i?2/i?i=-1 МОм/Ш кОм = =-100. Из уравнения (11.17) £сдв.вх = 100 мкВХ (И-0,01)-f -f 100 нАхЮ кОм=101 мкВ-f 1000 мкВ = 1,1 мВ, что составляет 1,]% диапазона i/gx=100 мВ. Усиление напряжения, изменяю-

Парамегры операционных схем по отношению к единицам измерения могут быть как очень малы, так и очень велики. Мы пытаемся проводить расчеты, как это только что было сделано таким образом чтобы значения выражались в практических единицах, например в мкВ, нА, кОм. Мы перемно-

жаем или делим числовые значения и делаем то же самое с символами десятичных порядков. Чтобы сделать это, достаточно помнить положения этих десятичных порядков на логарифмической оси. Например, нХк=мк (наноХкило=микро), мкХМ=1, фХТ=м, м/Г = п, 1/Т = п. Физическая размерность в расчете сохраняется (например, вольт), и мы избавляемся от необходимости производить громоздкие операции с показателями степени, которые часто кончаются ошибками в расположении десятичной запятой в результате.

щегося в диапазоне ?7вх=100 мВ, сопровождается аддитивной погрешностью, равной 1,1%. Теперь давайте изменим коэффициент усиления инвертора напряжения, выбрав другое сопротивление R2. При том же диапазоне входного напряжения Ох относительный показатель Ecre.bx/Uex остается почти неизменным (1,1%). Основной причиной этой погрешности является ток смещения /"см-

Проиллюстрируем сказанное числовым примером, взяв операционный усилитель типа [хА 741, у которого напряжение сдвига практически равно нулю. Для уменьшения преобладающей токовой составляющей сдвига используются следующие приемы:

1. Выбор возможно более низких сопротивлений цепи обратной связи. Пропорциональное уменьшение величин резисторов обратной связи до 10 кОм/100 Ом сохраняет тот же коэффициент усиления с обратной связью и уменьшает токовую составляющую, входного сдвига до 100 нАх0,1 кОм = 10 мкВ, т. е. до 0,01% входного диапазона. Такой радикальный прием не всегда возможен, поскольку он ведет к пропорциональному уменьшению входного сопротивления инвертора напряжения до 100 Ом. Проблема выбора между уменьшением токовой составляющей входного сдвига и погрешностью, вызванной потерей сигнала на нестабильном и нелинейном внутреннем сопротивлении нагруженного источника сигнала, практически исключает применение параллельной операционной схемы в качестве измерительного усилителя для промышленных датчиков низкого напряжения (термометры сопротивления, тензодатчики и термопары). Однако эта проблема не мешает использовать инвертор напряжения в обычных измерительных схемах. Частично это объясняется тем, что здесь диапазон входного сигнала обычно на два-три порядка больше, и частично тем, что источником сигнала в этих случаях чаще всего служит выход предыдущей схемы, имеющий низкое сопротивление. Полностью решить эту последнюю проблему можно путем использования последовательной операционной схемы, у которой, однако, имеется другой недостаток- нелинейность коэффициента ослабления синфазного сигнала.

2. Выбор более совершенного и более дорогого операционного усилителя. Решением указанной проблемы является выбор