Input offset voltage что это

Input offset voltage что это

Операционные усилители в источниках питания – типы и математика работы

Операционные усилители являются важным элементом схемотехники источников питания, прежде всего – в части построения систем обратной связи и регулировки выходного напряжения, тока, мощности, схемы обратной связи по току. Из большого числа типов операционных усилителей в силовой электронике применяются следующие классы ОУ:

— ОУ общего применения (индустриальные LM324, LM358);

— ОУ с однополярным питанием;

— ОУ с широким диапазоном выходного напряжения – усилители так называемого класса rail-to-rail (R2R).

Другие классы ОУ при построении источников питания используются существенно реже. Условное обозначение операционного усилителя представлено на рисунке OPAMP.1.

Рисунок OPAMP.1 — Условное обозначение операционного усилителя

Операционный усилитель – это математический прибор, обеспечивающий выполнение математических операций с аналоговыми сигналами. Отдельный операционный усилитель содержит:

При отсутствии обратной связи напряжение на выходе V_out в математически идеальном ОУ связано с напряжением на входе следующим образом:

V_out – напряжение на выходе ОУ;

V₊ – напряжение на неинвертирующем (+) входе;

V₋ – напряжение на инвертирующем (-) входе;

G_openloop — коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи.

В реальном ОУ максимальное выходное напряжение ограничивается величиной напряжения питания. Режим без обратной связи практически не используется (т.к. он в принципе не нужен), а используются схемы с обратной связью, основными из которых являются:

— схема неинвертирующего усилителя;

— схема инвертирующего усилителя;

— схема дифференциального усилителя.

Основные параметры операционного усилителя

1. Напряжение питания (Supply Voltage) V – напряжение питания операционного усилителя. Обычно указывают минимальный уровень напряжения, при котором еще возможна работа ОУ и максимальное значение между «+» и «-» входами питания выше которого усилитель выходит из строя.

2. Максимальное дифференциальное входное напряжение (Differential Input Voltage) – максимальное напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

3. Максимальное входное напряжение (Input Voltage) – максимальное напряжение на любом из входов ОУ.

4. Максимальная рассеваемая мощность (Power Dissipation) – максимальная мощность рассеваемая корпусом ОУ.

5. Входной ток ОУ (Input Current) – величина тока входов операционного усилителя. В ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах выходной ток может зависеть от полярности напряжения: при положительных входных напряжениях он будет незначительным (единицы-десятки мкА), а при отрицательных напряжениях относительно «–» напряжения питания – составлять десятки мА.

6. Напряжение смещения (Input Offset Voltage) – максимальная разность напряжений между «+» и «-» входами ОУ в линейном режиме работы в составе одной из схем с положительной обратной связью. Этот параметр характеризует точность (прецезионность) ОУ.

7. Входной ток смещения, эквивалентный входной ток (Input Bias Current) – входной ток в линейном режиме работы.

8. Разность входных токов (Input Offset Current) – разность между входными токами ОУ.

9. Диапазон входных напряжений (Input Common-Mode Voltage Range) – показывает минимальное и максимальное напряжения на входах ОУ при условии работы в линейном режиме.

10. Потребляемый ток (Supply Current) – ток питания ОУ. Как правило, указывается ток собственного потребления ОУ без нагрузки.

11. Статический коэффициент усиления при большом сигнале (Large Signal Voltage Gain) – показывает отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение изменению разности потенциалов между входами ОУ.

12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (common-mode rejection ratio).

13. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (power supply rejection ratio).

14. Коэффициент связи между ОУ – для нескольких ОУ и одном корпусе (Amplifier-to-Amplifier Coupling).

15. Выходной ток цепи источника питания/цепь стока (Output Current Source/Sink).

Основные схемы включения операционных усилителей

Схема неинвертирующего усилителя

На рисунке OPAMP.2 изображена электрическая схема неинвертирующего усилителя на ОУ и её частный случай — повторитель напряжения. Резисторы R1 и R2 образуют резисторный делитель, обеспечивающий отрицательную обратную связь – часть напряжения с выхода ОУ поступает на инвертирующий вход усилителя. Коэффициент усиления регулируется глубиной обратной связи – коэффициентом деления резисторного делителя. Если же напряжение с выход ОУ напрямую подается на инвертирующий вход, то получается схема повторителя напряжения. Преимуществом схемы неинвертирующего усилителя является высокое входное сопротивление, отсутствие инверсии сигнала.

Рисунок OPAMP.2 — Схема неинвертирующего усилителя (a) и повторителя напряжения (b)

Схема инвертирующего усилителя

На рисунке OPAMP.3 изображена электрическая схема инвертирующего усилителя на ОУ. Здесь отрицательная обратная связь обеспечивается за счет резистора R2 соединенного с выходом микросхемы ОУ.

Недостатками схемы является низкое входное сопротивление, полностью определяемое сопротивлением R1 и инверсия входного сигнала.

Рисунок OPAMP.3 — Схема инвертирующего усилителя

Схема дифференциального усилителя

Схема дифференциального усилителя на ОУ (рисунок OPAMP.4) усиливает разность между входными напряжениями. Входное сопротивление схем определяется резистором R1 для входа 1 и суммой сопротивлений R1’ и R2’ для входа 2. Видно, что в общем случае в данной схеме перестановка входных сигналов местами изменяет результат – выходное напряжение. И лишь при равенстве сопротивлений резисторов:

Выходное напряжение равно:

Рисунок OPAMP.4 — Схема дифференциального усилителя

Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя

Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя представлена на рисунке OPAMP.5. Величина R_L – внутреннего нагрузочного сопротивления, выбирается в разумных пределах исходя из требования, что рабочий ток через него не будет превышать максимальный выходной ток ОУ (как правило, 10-50% от максимального выходного тока). Диоды VD1 и VD2 выбираются одного типа и с максимально близкими вольт-амперными характеристиками.

Рисунок OPAMP.5 — Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя усилителя (единичный коэффициент усиления, R_L – внутренне нагрузочное сопротивление, выбирается в соответствии с параметрами ОУ)

Виртуальный ноль для питания операционных усилителей

В ряде случаев, когда необходимо обеспечить биполярное питание операционного усилителя при наличии только одного источника питания (с двумя выводами – положительным и отрицательным). Наиболее простым решением по созданию виртуального нуля (искусственной средней точки) является использование резисторного делителя (рисунок OPAMP.6) с буферными конденсаторами для сглаживания импульсных нагрузок. Схемы с операционным усилителем обеспечивают четкую фиксацию напряжения средней точки даже при значительном «перекосе фаз» т.е. большой разности токов потребляемых от «плюсового» и от «минусового» выводов. При значительных потребляемых токах можно использовать схему с дополнительным токовым буфером, выполненным на двух комплементарных транзисторах. В схеме можно использовать недорогие и доступные ОУ общего применения, такие как LM324, LM358. Другим преимуществом схемы является меньшее потребление энергии, что важно при питании от гальванических батарей.

Рисунок OPAMP.6. Схемы формирования виртуального нуля (искусственная средняя точка) для питания операционных усилителей

Параметры ОУ.

1. Коэффициент усиления напряжения Ки (Open-looggain A) –отношение выходного напряжения ко входному. В общем случае коэффициент усиления ОУ, не охваченного обратной связью, может достигать несколькихмиллионов, однако с ростом частоты он уменьшается.

2. Частота единичного усиления f1, Гц (Unity-gainbandwidthfu) –значение частоты входного сигнала, при котором коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы. Этот параметр определяет максимально возможную полосу пропускания ОУ.

3. Максимальное выходное напряжение +Uвыхмакс.,В (Positive voltage swing, Vsw+)и -Uвыхмакс.,В (Negative voltage swing, Vsw-) – максимальноевыходное напряжение положительной и отрицательной полярности, прикотором нелинейные искажения пренебрежимо малы при рекомендуемой изготовителем схеме включения ОУ. Это напряжение измеряется относительно нулевого потенциала при заданном сопротивлении нагрузки. При уменьшении этого сопротивления максимальное выходное напряжение уменьшается.

4. Скорость нарастания выходного напряжения Vвых, В/мкс (Slew rate SR) – отношение изменения выходного напряжения от 10 до 90% от своегономинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Этотпараметр характеризует скорость отклика ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, на ступенчатое изменение выходного сигнала при усилении 1или 10. ОУ при Vвых=15…150 В/мкс относятся к классу быстродействующих.

5. Напряжение смещения нуля Uсм, B (Input offset voltageVos) –напряжение, которое нужно подать на выход ОУ, чтобы выходное напряжениеравнялось нулю. Эта величина определяется разбросом параметров компонентов, входящих в состав ОУ (см. 7.2); для компенсации Uсм вбольшинстве ОУ имеются специальные выводы для подключения цепей подстройки.

6. Входные токи Iвх, (Input bias current Ibs) – токи, протекающие через входные зажимы ОУ; они обусловлены токами базы входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов полевых транзисторов. Входные токи создают на внутреннем сопротивлении источника сигнала падение напряжения, которое вызывает появление напряжение на выходе при отсутствии на входе внешнего сигнала.

7. Разность входных токов ΔIвх, (InputoffsetcurrentIos) — достигает 10-20% от Iвх, создает на входе ОУ разность потенциалов, приводящую к смещению нуля на выходе.

8. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Kоссф,дБ (Common mode rejection ratio CMMR) – отношение коэффициента усиления напряжения,приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления напряжения,приложенного между общей шиной и каждым входом.

9. Выходной ток короткого замыкания Iвых,А (Output chort circuit current Isc) – максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора.

10. InputresistanceRi, Ом — входное сопротивление.

11. OutputresistanceRo, Ом -выходное сопротивление.

12. Phasemarginpm — запас по фазе на частоте единичного усиления в градусах; характеризует устойчивость ОУ.

13. CompensationcapacitanceCc, Ф — емкость корректирующего конденсатора, служит для обеспечения устойчивости ОУ при введении ООС. В ОУ ранних выпусков предусматривались специальные выводы дляподключения такого конденсатора, сейчас он в большинстве случаевреализуется на кристалле ОУ.

14. Locationofsecondpole fp2, Гц — частота второго полюса передаточной характеристики (только для линейной модели ОУ ).

15. Максимальное входное напряжение Uвх, В (в списке параметров ОУ в программе EWB отсутствует) – напряжение между входными клеммами ОУ,превышение которого приводит к выходу прибора из строя.

16. Максимальное синфазное входное напряжение Uвхсф, В (в EWB отсутствует) – наибольшее значение напряжения, прикладываемогоодновременно к обеим входным клеммам ОУ относительно нулевогопотенциала (земли), превышение которого нарушает работоспособностьприбора (увеличиваются входные токи и смещение нуля, существенноеуменьшается коэффициент усиления).

17. Коэффициент влияния источников напряжения питания Kвлип, мкВ/В– характеризует изменение выходного напряжения прецизионных ОУ при изменении напряжения источников питания (нормируется на уровне 1..10мкВ/В).

1. Построить схему инвертирующего усилителя в соответствии с рисунком 2.

Инвертирующий усилитель, изменяющий знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора Rос параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Входной сигнал подается через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ.

2. Рассчитать параметры схемы таким образом, чтобы получить коэффициент усиления по напряжению = -10.

Примем , .

3. С помощью измерительных приборов программы EWB проверить полученные усиления по напряжению.

4. Построить схему неинвертирующего усилителя в соответствии с рисунком 4.

Неинвертирующий усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, поданную по инвертирующемувходу, входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ.

5. Рассчитать параметры схемы таким образом, чтобы получить коэффициент усиления по напряжению = 20.

Примем , .

6. С помощью измерительных приборов программы EWBпроверить полученные усиления по напряжению.

7. Изменить параметры схемы так, чтобы поучить повторитель. Проверить результат.

Принимается , .

8. Построить схему неинвертирующего сумматора в соответствии срисунком 8. Выбрать параметры схемы и рассчитать результирующие напряжение на выходе сумматора. Проверить с помощью измерительныхприборов правильность расчетов.

9. Построить схему интегратора в соответствии с рисунком 10.Задавая различные значения постоянной интегрирования τ , наблюдатьизменения формы выходного напряжения с помощью осциллографа.

С технологией Auto Zero: новые операционные усилители для прецизионных измерений

Измерение физических величин является широко распространенной задачей. Роль первичных преобразователей физических величин выполняют датчики. Например, резистивные датчики температуры преобразуют температуру в удобную для электрических измерений величину — сопротивление.

Существует огромное количество датчиков — давления, температуры, освещенности — каждый из которых имеет свои особенности и области применения. Помимо непосредственно измерительной техники датчики используются в медицинской аппаратуре, промышленности (управление механизмами и двигателями), телекоммуникациях (ВОЛС), автомобилестроении.

Аналоговая техника замещается цифровой. Однако в любой цифровой измерительной технике есть аналоговая часть. Анализ погрешностей измерительного тракта является отправной точкой создания измерительных устройств.

Анализ погрешностей в сигнальной цепочке измерительного тракта

Измерительный тракт современной системы обработки сигналов включает в себя ряд звеньев (рисунок 1). Исходный сигнал, снимаемый с датчика (или датчиков), поступает на усилитель через мультиплексор или напрямую. Главная задача усилителя — нормирование/усиление сигнала до оптимального для АЦП уровня. АЦП оцифровывает сигнал в соответствии с уровнем напряжения источника опорного напряжения (ИОН). Далее сигнал проходит цифровую обработку в вычислительном модуле (процессор, микроконтроллер).

Рис. 1. Погрешности схемы измерительного тракта

К сожалению, ни одно из звеньев измерительной цепи не является идеальным и вносит погрешность в результат измерения. При этом погрешность имеет постоянную и шумовую составляющие.

Источником постоянной составляющей погрешности являются параметры, которые не зависят от времени либо имеют слабую временную зависимость. Так например, термосопротивление имеет начальный разброс точности номинала; усилитель имеет разброс коэффициента усиления за счет разброса номиналов пассивных компонентов и др; ИОН имеет ограниченную точность начальной установки напряжения; АЦП имеет погрешность смещения нуля, может иметь погрешность линейности и т.д.

Кроме того, большинство погрешностей постоянной составляющей все же имеют временную зависимость (например, номиналы пассивных компонентов «уплывают» со временем) и температурную зависимость, что значительно усложняет задачу измерений. Ведь проведя калибровку прибора для одной температурной точки, можно легко выйти за рамки точности при другой температуре. То же можно сказать и про время, со временем приборы теряют точность, и требуют периодической поверки.

Помимо постоянной составляющей, каждое звено вносит собственный шум в полезный сигнал. Одним из основных узлов, определяющих точность измерения, является усилитель. С одной стороны погрешности датчиков, усиленные и преобразованные, с другой — погрешности усилителя оказывают дополнительное влияние на полезный сигнал, поступающий на АЦП.

Критерии выбора ОУ для прецизионных измерений

В настоящее время усилители, как правило, строятся на базе интегральных ОУ. К сожалению, идеального ОУ не существует. Зато существует огромное количество операционных усилителей для различных приложений и с различными характеристиками. Поэтому выбор может стать трудоемким монотонным процессом изучения документации на компоненты от множества компаний-производителей. Для облегчения труда инженеров-разработчиков измерительной аппаратуры лидеры электронной промышленности особо выделяют в своей номенклатуре прецизионные ОУ.

Основным критерием, которому должен удовлетворять прецизионный ОУ, является обеспечение требуемой точности измерений. Чтобы выбрать ОУ, в первую очередь необходимо оценить параметры, непосредственно влияющие на погрешность выходного сигнала.

Входное напряжение смещения (Input Offset Voltage). Является наиболее важным параметром для прецизионных ОУ. Как правило, прецизионные схемы используются для измерения очень малых величин. Например, для мостовых датчиков давления величина выходного напряжения составляет — десятки мВ. Очевидно, что напряжение смещения на уровне десятков мкВ даст очень большую погрешность измерения.

Рассмотрим пример. Система измеряет показания мостового датчика давления с выходным напряжением 20 мВ. Сигнал датчика усиливает ОУ с входным напряжением смещения Uсм = 50 мкВ.

Коэффициент усиления при нормировании для АЦП с опорным напряжением 3 В: 3 В/0,02 В = 150.

Ошибка от напряжения смещения на выходе усилителя: 50 мкВ х 150 = 7,5 мВ. Что соответствует точности всего лишь 8-бит АЦП (1LSB = 3В/2 8 = 11 мВ).

Очевидно, что такая погрешность недопустима. Поэтому уменьшение влияния напряжения смещения является одной из главных задач.

Стоит отметить, что величина напряжения смещения имеет температурную и временную стабильность.

Температурный дрейф напряжения смещения — ТКС (TC Vos). Измеряется, как правило, в нВ/°С. При компенсации напряжения смещения в одной температурной точке, например подстроечным резистором, мы не получим точного результата при другой температуре. Кроме того, данная зависимость имеет нелинейный характер, что вносит дополнительную сложность. Стоит особое внимание уделить данному параметру в случае, если диапазон рабочих температур достаточно широкий (например, промышленная или военная электроника).

Не сложно посчитать, что для температурного диапазона 0…25°C наличие дрейфа в 1 мкВ/°С может привести к погрешности в 25 мкВ, что для предыдущего примера сравнимо с величиной начального напряжения смещения (Uсм = 50 мкВ).

В дополнение к температурному дрейфу напряжения смещения имеет место его изменение в течение времени. Это явление называется долговременная стабильность и измеряется в мкВ/1000 часов.

Входной шум ОУ (Input Voltage Noise) определяется для двух частотных диапазонов. Низкочастотный шум (1/f фликкер-шум) (0,1…10 Гц) измеряется в нВ_П-П. Широкополосный шум (нормируется, как правило, для 1 кГц), измеряется в нВ/ЦГц. Разделение на частотные диапазоны позволяет разработчику различать широкополосный шум, который может быть отфильтрован при помощи фильтров, и низкочастотный, который отфильтровать практически невозможно.

Коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи (Open-Loop Gain) имеет конечное значение, что приводит к возникновению ошибки усиления в схемах с обратной связью. Коэффициент усиления должен иметь как можно большее значение, в этом случае ошибка усиления будет минимальной.

Входной ток ОУ (Input Bias Current). Данный параметр имеет важное значение для схем измерения сигналов высокоимпедансных датчиков. Например, сверхчувствительные фотодиоды при сумеречном освещении могут генерировать токи всего лишь в несколько нА, очевидно, что входной ток ОУ не может превышать данной величины. Величина входного тока сильно зависит от технологии реализации входного каскада ОУ. Для ОУ со входным каскадом на полевых транзисторах величины входных токов могут быть порядка нескольких фА, при этом, однако, имеется сильнейшая температурная зависимость.

Температурный дрейф входного тока. Тип зависимости определяется структурой входного каскада. Каскад, выполненный по биполярной технологии, менее подвержен влиянию температуры. Каскад, выполненный по КМОП технологии, имеет малое значение входного тока, но может удваиваться каждые 10°С.

Ток смещения ОУ (Input Offset Current). Величины входных токов инвертирующего и неинвертирующего входов не равны. По большому счету, именно это отличие в величине втекающих токов и создает погрешность, а не непосредственно втекающий ток. Равенство входного импеданса на входах ОУ приводит к уменьшению влияния входного тока ОУ. Это происходит вследствие того, что выходное напряжение, формируемое током, втекающим в неинвертирующий вход ОУ, компенсируется выходным напряжением, формируемым током инвертирующего входа.

При реализации конкретного устройства помимо критерия точности к ОУ могут применяться и другие требования. Широкое распространение портативных измерительных приборов выдвигает требования компактности, пониженного напряжения питания и низкой потребляемой мощности. Для промышленных и военных приложений критичным может оказаться фактор защищенности ОУ от электромагнитных и статических помех и возможность работы при повышенных питающих напряжениях.

Как было указано выше, наиболее сильное влияние на точность измерений оказывает напряжение смещения. Элементарные схемы компенсации (такие, как подстроечные резисторы) дают компенсацию только в одной температурной точке из-за температурного дрейфа. Температурный дрейф, к тому же, имеет нелинейный характер, что затрудняет его учет при измерениях. Кроме того, имеет место влияние низкочастотного 1/f шума, от которого практически невозможно избавиться.

Одной из прорывных технологий, позволивших значительно увеличить точность ОУ, стала технология автокоррекции нуля (периодической компенсации дрейфа нуля). ОУ с такой технологией называются ОУ, стабилизированными прерыванием.

Однако данная технология обладает рядом недостатков. Во-первых, переключения сопровождались значительными выбросами напряжений высоким уровнем собственных шумов в области частоты коммутации, что значительно ухудшало шумовые характеристики. Это приводило к необходимости использования внешних фильтров. Кроме того, диапазон рабочих частот оказывался ограниченным величиной собственных коммутаций. Диапазон питающих напряжений также был достаточно мал.

Новое семейство прецизионных ОУ, стабилизированных прерыванием по технологии «AutoZero»

По сравнению с классической схемой ОУ, стабилизированных прерыванием, ОУ с «AutoZero» имеют значительно меньший уровень шумов от переключений. На зависимости «шум/частота» на частоте переключения схемы (около 70 кГц) имеется всего один пик (рисунок 2). Однако так как это более высокочастотный шум по сравнению с классической реализацией схемы с автоподстройкой, то избавиться от него значительно проще.

Рис. 2. Типовая зависимость «шум/частота» ОУ с «AutoZero»

Компания Maxim Integrated выпустила новую линейку ОУ стабилизированных прерыванием с технологией «AutoZero» (таблица 1).

Таблица 1. Прецизионные ОУ с автокоррекцией нуля

Наименование	Число ОУ в корпусе	Питание, В	Ток потребления (типовой), мкА	Напряжение смещения (макс), мкВ	CMRR, дБ	PSRR, дБ	Входной ток (макс), нА	Плотность шума входного напряжения, нВ/√Гц	Плотность шума входного тока, нВ/√Гц
MAX44250	1	2,7…20	1220	9	140	145	1,4	5,9	0,6
MAX44251	2		1150	6			1,3
MAX44252	4		1150	6			1,3
MAX44244	1	2,7…36	90	7,5	130	148	0,3	50	0,1
MAX44245	4			7,5
MAX44248	2			7,5
MAX44246	2		420	5	158	166	0,6	9	—

Новые семейства ОУ, стабилизированных прерыванием с технологией «AutoZero», сочетают превосходные метрологические характеристики и широкий диапазон рабочих частот. Стоит отметить, что кроме этого, в них реализованы дополнительные уникальные технологии Maxim Integrated.

Maxim Integrated уделили особое внимание дополнительной защите от помех. Структура усилителей содержит интегрированный фильтр электромагнитных помех (EMI-фильтр). В итоге помимо того, что благодаря «AutoZero» устранен низкочастотный шум, значительно уменьшается и высокочастотный шум (рисунок 3).

Рис. 3. График подавления электромагнитных помех

Уделено особое внимание питанию микросхем. Все ОУ имеют расширенный диапазон питающих напряжений. Минимальное напряжение питания составляет всего 2,7 В (или ±1,35 В), что важно для устройств с батарейным питанием. В то же время верхняя граница напряжения питания составляет 36 В (или ±18 В), что может быть удобным при реализации промышленной автоматики.

Широкий выбор корпусных исполнений позволяет выбрать подходящий по габаритам ОУ, в том числе для портативных приложений.

Семейство MAX44250/51/52 — новые прецизионные ОУ, обладающие всеми отличительными чертами усилителей с технологией «AutoZero»: сверхнизкое значение напряжения смещения (не более 6 мкВ при 23°С), температурный дрейф ограничивается практически не измеряемой величиной 19 нВ/°С. Шумовые характеристики также на высоте. Величина шума — 123 нВ_П-П (0,1 Гц < f < 10 Гц), а плотность шума составляет 5,9 нВ/ЦГц.

Еще одной особенностью MAX44250/51/52 является расширенный диапазон питающих напряжений: однополярное от 2,7 до 20 В и биполярное от ±1,35 до ±10 В.

Данное семейство отлично подходит для нормирования и усиления сигналов тензометрических датчиков, датчиков давления в различной медицинской и измерительной аппаратуре.

Микросхемы имеют различное корпусное исполнение, в том числе миниатюрное SOT23-5.

MAX44246 представляет собой сдвоенный прецизионный усилитель, выполненный в восьмивыводных корпусах uMax или SOIC. Величина напряжения смещения для данного усилителя не превышает 5 мкВ, а температурный дрейф ограничен 20 нВ/°С. Низкочастотные шумы составляют 117 нВ_П-П (0,1 Гц < f < 10 Гц), а плотность шума на частоте 1 кГц — 9 нВ/ЦГц.

Имея отличные характеристики, MAX44246 способен работать с напряжениями питания от 2,7 до 36 В. (в том числе при биполярном питании от ±1,35 до ±18 В).

Особенностью MAX44246 является малое потребление. Ток потребления составляет всего 0,55 мА на канал, что позволяет применять его не только в стационарных измерительных приборах, но и в портативных с батарейным питанием.

MAX44244/5/8 — семейство малопотребляющих прецизионных ОУ. Главной его особенностью является низкий ток потребления — всего 90 мкА.

Низкое потребление и миниатюрность корпусов (MAX44244 доступен в корпусе SOT23-5) делают данное семейство подходящим для портативной измерительной техники, прецизионного измерения веса, интерфейсов с токовой петлей.

Прецизионные ОУ от Maxim Integrated

Помимо ОУ с технологией «AutoZero» Maxim Integrated предлагает семейство усилителей MAX44260/1/3, главной особенностью которого является автоматическая калибровка при включении питания (таблица 2). При подаче питающего напряжения интегрированная в ОУ схема сброса по питанию (POR) удерживает входы и выходы в высокоимпедансном состоянии в течение 10 мс. За это время внутренняя схема коррекции калибрует ОУ. Такая техника позволяет получить напряжение смещения нуля около 50 мкВ.

Таблица 2. Новые прецизионные ОУ от Maxim Integrated

Наименование	Число ОУ в корпусе	Питание, В	Ток потребления (типовой), мкА	Напряжение смещения (макс), мкВ	CMRR, дБ	PSRR, дБ	Входной ток (макс), нА	Плотность шума входного напряжения, нВ/√Гц	Плотность шума входного тока, нВ/√Гц
MAX44260	1	1,7…5,5	750	50	90	95	0,0005	12,7	0,0012
MAX44261	1		750
MAX44263	2		650

MAX44260 имеет дополнительный вход SHDN, позволяющий перевести ОУ в режим пониженного потребления (менее 1 мкА). Выходы и входы ОУ при этом находятся в высокоимпедансном состоянии, благодаря этому возможно каскадирование ОУ, что избавляет от необходимости использовать мультиплексоры. При выходе из данного режима калибровка не производится, что позволяет достичь времени пробуждения не более 30 мкс.

В отличие от MAX44260 в ОУ MAX44261 возможно проведение калибровки без выключения питания. Для этого предназначен дополнительный управляющий вход CAL.

Микросхема MAX44263 имеет два ОУ в одном корпусе.

Общей особенностью всех трех микросхем является отсутствие переходных искажений при переходе через 0 (при переключении входных транзисторов). Это достигается наличием внутреннего преобразователя (charge pump). Выходное напряжение этого преобразователя превышает напряжение питания на 1 В и используется для питания входного каскада.

Помимо малого напряжения смещения, MAX44260/1/3 отличаются низким уровнем собственных шумов. Шум входного напряжения составляет 12,7 нВ/ЦГц, шум входного тока 1,2 фА/ЦГц. При этом частота единичного усиления составляет 15 МГц. Низкие шумы и большая частота единичного усиления позволяют применять данное семейство в составе трансимпедансных усилителей (рисунок 4).

Рис. 4. Трансимпедансный усилитель на основе MAX44260

Стоит отметить, что семейство MAX44260/1/3 идеально подходит для портативных устройств с батарейным питанием (ноутбуки, плееры), так как имеет низкое потребление и малое напряжение питания. Типовой питающий ток каждого усилителя составляет 700 мкА. При этом MAX44260 в спящем режиме потребляет всего 1 мкА. Уровень напряжения питания составляет 1,8 В (при температуре от -40 до 125°C), а при температуре от 0 до 70°C всего 1,7 В.

Прецизионный, высокоскоростной, малошумящий ОУ для широкого круга задач

Кроме ОУ, стабилизированных прерыванием, и ОУ с возможностью калибровки Maxim Integrated выпускает MAX9632 — прецизионный малошумящий ОУ с широким диапазоном питающих напряжений, сочетающий в себе уникальные метрологические характеристики, отличное быстродействие, защиту от электростатики и лучшие в своем классе значения CMRR, THD, PSSR.

MAX9632 имеет напряжение смещения нуля не более 125 мкВ (при 25°C) и температурный дрейф не более 0,5 мкВ/°C. Шум входного напряжения составляет всего 0,94 нВ/ЦГц. При этом ширина пропускания составляет 55 МГц.

Второй особенностью усилителя является улучшенная защита от электростатических разрядов. Микросхема выдерживает 8 кВ (Human Body Model — HBM) и 1 кВ (Charge Device Model — CDM).

Данный ОУ обладает широким диапазоном питающих напряжений 4,5…36 В (в том числе ±18 В).

MAX9632, обладая уникальными метрологическими характеристиками и высоким быстродействием, идеально подходит для совместной работы с высокоскоростными дельта-сигма АЦП. Такие АЦП требуют ОУ с низким значением собственных шумов для достижения соотношения сигнал-шум (SNR) большего, чем 100 дБ. В приведенной схеме (рисунок 5) АЦП MAX11040 достигает соотношения SNR 117 дБ при частоте 1000 измерений в секунду.

Рис. 5. Типовая схема включения MAX9632

Основными областями применения данного ОУ являются прецизионная измерительная техника, высокоскоростные системы управления и контроля, системы релейной защиты, медицинская техника и т.д.

Заключение

Компания Maxim Integrated предлагает свои решения для построения прецизионных измерительных схем. Семейства прецизионных ОУ с «Auto Zero» обладают напряжением смещения, не превышающим 10 мкВ. Кроме того, они имеют интегрированный EMI-фильтр и отличаются расширенным диапазоном питающих напряжений. Помимо семейств с автокоррекцией, представлено семейство MAX44260/1/3 с калибровкой при включении. После калибровки напряжение смещения не превышает 50 мкВ. Прецизионный ОУ MAX9632 сочетает в себе быстродействие, защиту от статики и широкий диапазон питающих напряжений.

Литература

1. Maurizio Gavardoni, Application Note 4179 Autozero Noise Filtering Improves Instrumentation Amplifier Output. Maxim Integrated, 2009.

2. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005.

Input offset voltage что это

Build any op amp circuit, apply 0V to its input, and what do you expect at the output? Although you’d be tempted to say 0 V, there’s actually an error voltage present at its output. What causes this error? You can trace the error back to a number of unbalances in the op amp’s internal transistors and resistors. To account for this in a circuit design, the net error is modeled as an offset voltage, Voff, in series with op amp’s input terminals. How will it affect your circuit? That depends on the op amp itself and your circuit design.

INPUT OFFSET VOLTAGE

The input offset voltage can range from microvolts to millivolts and can be either polarity. Generally, bipolar op amps have lower offset voltages than JFET or CMOS types.

But wait, there’s more trouble. The input offset voltage will change ∆ V (voltage drift) with a change in temperature ∆ T. This error is a linear function of temperature and is defined by

For an with a voltage of 25 uV / deg C, what is the drift over, say ∆T = 10 deg C?

Voff = Voff_TC � ∆ T
= (25 uV / deg C) � 10 deg C
= 0.25 mV

This could add some serious error into your temperature senor circuit! But, knowing your overall error budget, you can select an op amp with a low enough offset drift to meet the target circuit performance.

AMPLIFIER WITH OFFSET VOLTAGE

The offset voltage is modeled in series with one of the op amp input terminals. Which one? Although the net effect is the same at either input, it’s much easier to analyze Voff in series with the positive (V+) input. Why? The resulting circuit with Voff at V+ looks just like the non-inverting amplifier configuration. The analysis for this circuit is a simple one.

Ignoring Voff for a moment, is the circuit (shown above) an inverting or non-inverting amplifier? The answer is yes, both! With the input signal source set to 0 V ( shorted ), the inverting and non-inverting amplifiers look the same. The analysis for offset voltage is independent of the amplifier configuration. You can predict the error at the output Vo by the equation for the non-inverting amplifier

Vo_error = Voff ( R2 / R1 + 1 )

What danger is this equation warning you about? If you have a large signal gain in your circuit, the amplifier will increase the error Voff along with the signal.

CIRCUIT INSIGHT Run a simulation of OP_VOFF.CIR. Voltage source VOFF models the offset voltage, initially set to +1 mV. With R1 = 10k and R2 = 100 k, what is the error at the output V(4)? The output error gets bumped to a whopping 11 mV as predicted by the equation above. Choose a different gain and/or offset voltage. Run a simulation. Is the output error what you expected?

Need to adjust the the effect of the input offset voltage to zero? Add a potentiometer and a resistor.(See Op Amp Input Offset Adjustment)

INPUT BIAS CURRENT

Input offset voltage is not the only error of the op amp’s input. The input stage is made of transistors, requiring a finite amount of bias current for operation. The circuit above assumes the bias is negligible. However, real op amps have bias currents to be reckoned with. The good news is there are clever techniques you can use to minimize and cancel out these errors too.
(See Op Amp Input Bias Currents )

Download the file or copy this netlist into a text file with the *.cir extention.