Прежде чем перейти к рассмотрению вопросов работы усилителей с нулевым дрейфом во временной области, давайте проанализируем архитектуру, которая составляет основу многих этих устройств. На рисунке 1 показана обобщенная архитектура стабилизированного усилителя постоянного тока (УПТ) с прерывателем, которая используется во многих усилителях с нулевым дрейфом MCP6Vxx от компании Microchip.

 

Рис. 1. Архитектура стабилизированного усилителя постоянного тока с прерывателем

У стабилизированного УПТ с прерывателем – два сигнальных тракта: широкополосный, который всегда подключен к основному усилителю, и вспомогательный с меньшей шириной полосы. Основной усилитель имеет широкую полосу пропускания и определяет величину произведения коэффициента усиления на ширину полосы, а также скорость нарастания выходного напряжения всего усилительного блока. Входной сигнал проходит также по вспомогательному тракту с переключателями на входах и выходах, затем через фильтрующий каскад, после чего поступает в тракт основного усилителя (см. рис. 1). У вспомогательного усилителя, находящегося в этом дополнительном тракте, очень высокий коэффициент усиления, что позволяет корректировать смещения в диапазоне от мВ до мкВ. Посмотрим, как эта архитектура влияет на работу усилителя во временной области. Сначала остановимся на переходной характеристике входа усилителя, показанной на рисунке 2.

 

Рис. 2. Переходная характеристика входа усилителя

В этом примере входное напряжение (см. кривую красного цвета на рисунке 2) практически мгновенно меняется приблизительно с 200 мВ до 5,2 В. Выходное напряжение усилителя с единичным коэффициентом усиления (кривая синего цвета) отслеживает ступенчатую форму сигнала, но поскольку скорость нарастания выходного напряжения ограничена, требуется некоторое время, чтобы оно достигло конечного значения. Это наиболее сложная задача для саморегулирующейся архитектуры. Как упоминалось, сигнальный тракт с более широкой полосой пропускания в усилителе с нулевым дрейфом отвечает за общую скорость функционирования этого устройства (определяя произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания и скорость нарастания выходного напряжения). Однако как только выходной ступенчатый сигнал достигает установившегося значения, выходное напряжение устанавливается в пределах небольшого смещения усилителя с нулевым дрейфом (которое, как правило, не превышает 50 мкВ). При этом учитывается и время прохождения сигнала по вспомогательному тракту с ограниченной шириной полосы пропускания, что подразумевает достаточно большую зависимость от частоты прерывания.

Использование большей тактовой частоты позволило до некоторой степени уменьшить время установления, но у усилителей с нулевым дрейфом оно, как правило, составляет десятки микросекунд или больше. К тому же, увеличение частоты прерывания может привести к увеличению скорректированного напряжения смещения, что немаловажно для высокоточных приложений. При анализе работы усилителей с нулевым дрейфом во временной области необходимо также учитывать время запуска. При включении усилителя некоторое время его выходной сигнал имеет нескорректированную погрешность смещения, причиной которой является основной усилитель (см. рис. 1). Как только напряжение питания достигает точки переключения в рабочий режим, которая задается схемой сброса по включению питания, для срабатывания вспомогательного корректирующего тракта требуется несколько тактов синхросигнала.

Поскольку, как правило, стартовое время усилителя полностью соответствует диапазону, предусмотренному для запуска целой системы, в которой работает усилитель, этот вопрос не требует решения. Однако если усилитель функционирует с высоким коэффициентом усиления замкнутого контура, мгновенное нескорректированное смещение (достигающее порой ±5 мВ) на выходе устройства может привести к выходу в режим насыщения. В этом случае также требуется некоторая доля пускового времени на возвращение усилителя в линейный режим. В технических описаниях усилителей с нулевым дрейфом от компании Microchip приведены типовые значения этого времени восстановления. У усилителей данного типа имеется много преимуществ, которые используются во множестве приложений. Так, например, эти устройства обладают исключительно высокой эффективностью в режиме работы по постоянному току и очень высокой точностью, не зависящей от времени и температуры.

Однако, как мы увидели, недостатком саморегулирующейся архитектуры является ее функционирование во временной области. В современных приложениях этот недостаток сведен к минимуму, но разработчики должны знать о возможных проблемах, связанных с использованием усилителей этого типа.

 

Подробнее об операционных усилителях, в т.ч. усилителях с нулевым дрейфом, см. страницу OperationalAmplifiers на сайте компании Microchip.

 Шифр статьи МСА756