Что такое напряжение смещения
Моделирование изменения напряжения смещения операционного усилителя
В данной статье мы создадим схему LTspice для анализа влияния непредсказуемого напряжения смещения на характеристики схемы прецизионного источника тока.
В настоящее время мы часто можем найти операционные усилители с типовым напряжением смещения, которое очень мало по сравнению с требованиями системы. Если один из этих операционных усилителей вписывается в бюджет проекта, то в процессе проектирования у нас не будет необходимости учитывать это напряжение смещения.
Однако иногда этот неидеальный аспект работы операционного усилителя может заметно повлиять на характеристики схемы. Моя цель в этой статье – представить метод анализа влияния напряжения смещения с помощью моделирования SPICE.
Схема, которую я буду использовать в качестве примера, – это прецизионный источник тока, который я исследовал в предыдущих статьях. На приведенном ниже рисунке представлена схема этого источника тока и теоретические соотношения входного и выходного сигналов.
Рисунок 1 – Схема прецизионного источника тока
Что такое входное напряжение смещения?
Неизбежные рассогласования компонентов внутри операционного усилителя приводят к тому, что дифференциальное входное напряжение 0 В создает ненулевое положительное или отрицательное выходное напряжение. Входное напряжение смещения – это напряжение, которое вы должны подать на один из входов, чтобы компенсировать это рассогласование и, таким образом, достичь выходного напряжения 0 В для входного напряжения 0 В.
Напряжение смещения является проблемой, потому что оно заставляет операционный усилитель отклоняться от идеализированной модели, которая дает лучшие результаты и более удобна для пользователя. Более того, серьезность этого отклонения не может быть предсказана с высокой точностью: техническое описание может описывать напряжение смещения, используя одно значение, например, типовое или максимальное напряжение смещения.
Чтобы получить более полное представление о поведении напряжения смещения, необходимо посмотреть на распределение, полученное при проверке множества устройств (одинаковой модели).
В предыдущей статье, посвященной моделированию характеристик источника тока с учетом допусков резисторов и температуры, я использовал операционный усилитель AD8606. В техническом описании AD8606 представлен следующий график, который поможет нам понять распределение значений напряжения смещения для этой модели операционного усилителя:
Рисунок 2 – Распределение напряжения смещения у операционных усилителей AD8606 (график взят из технического описания)
Форма распределения напоминает форму нормального (или гауссовского) распределения, и это неудивительно, потому что мы ожидаем нормального распределения, когда на измеренное значение влияют несколько случайно изменяющихся параметров.
Моделирование входного смещения напряжения
Если мы хотим включить напряжение смещения в анализ схемы, мы добавляем источник постоянного напряжения последовательно с положительным или отрицательным входным выводом операционного усилителя. В результате получится схема модели, которая будет выглядеть примерно так:
Рисунок 3 – Схема модели операционного усилителя, учитывающая входное напряжение смещения
Оранжевый операционный усилитель – это идеальный операционный усилитель или, по крайней мере, операционный усилитель без учета напряжения смещения. Красный операционный усилитель представляет собой «более реалистичный» операционный усилитель, который мы создали, объединив идеальный операционный усилитель с источником постоянного напряжения.
Значение источника напряжения обычно будет равно типовому напряжению смещения или максимальному напряжению смещения, если вам нужно выбрать одно значение. В моделировании SPICE мы можем выбрать много разных значений.
Моделирование влияния напряжения смещения
Рисунок 4 – Схема LTspice для моделирования источника тока с учетом напряжений смещения операционных усилителей
Я намерен проанализировать здесь только влияние напряжения смещения. Все резисторы настроены на свои номинальные значения без каких-либо допусков, а операционный усилитель представляет собой идеальный однополюсный операционный усилитель LTspice, а не макромодель, соответствующую реальному компоненту.
Я хочу, чтобы напряжения смещения отражали изменение, которое мы можем увидеть в реальном операционном усилителе, и, поскольку в предыдущем моделировании я использовал AD8606, я решил спроектировать это моделирование в соответствии с характеристиками напряжения смещения AD8606. Другими словами, я попытался аппроксимировать распределение напряжения смещения, представленное гистограммой, которая приведена выше.
Как мы увидим в следующей статье, эта комбинация среднего значения и стандартного отклонения приводит к распределению, которое в достаточной мере согласуется с гистограммой, приведенной для AD8606. Этот же метод можно использовать для аппроксимации спецификаций напряжения смещения для любой модели операционного усилителя, который имеет приблизительно нормальное распределение значений напряжения смещения – вы просто по мере необходимости меняете среднее значение и/или стандартное отклонение.
Заключение
Мы подготовили схему LTspice, которая позволит нам предсказать влияние напряжения смещения на точность схемы источника стабилизированного тока. В следующей статье мы продолжим это обсуждение и рассмотрим некоторые результаты моделирования.
ТОЧКА ПОКОЯ. НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ
Условием совпадения формы переменной составляющей тока с формой поданного на вход УЭ управляющего напряжения является линейная зависимость между ними, графически выраженной прямой. Статические характеристики биполярных и полевых транзисторов, как и электронных ламп, криволинейны. Поэтому возможны искажения поданного сигнала, т. е. появление в составе тока Iвх гармоник и комбинационных частот. Отсутствия искажения сигнала можно добиться используя участок характеристики, наиболее близкий к прямой. На рис. 11.3,а — это участок АВ на входной характеристике биполярного транзистора в схеме с ОЭ. Подадим на вход транзистора переменное напряжение сигнала 
. При этом входной ток транзистора будет меняться пропорционально изменению напряжения входного сигнала. Для того чтобы при обеих полуволнах переменного напряжения uвх полуволны переменной составляющей тока iБ не выходили за пределы этого прямолинейного участка АВ, на вход транзистора необходимо подать прямое постоянное напряжение UБЭ0. Точка на статической характеристике, однозначно определяемая постоянным напряжением на входе и выходе, называется точкой покоя. В данном случае — точка М.
Постоянное напряжение, которое подается на вход усилительного элемента для выбора точки покоя, называется напряжением смещения. У биполярного транзистора точка покоя может быть задана и постоянным током на входе — током смещения.
Таким образом, энергия постоянного тока источника питания преобразуется в энергию переменного тока, который меняется по закону поданного на вход переменного напряжения.
Итак, чтобы обеспечить минимум искажений, т. е. для совпадения формы выходного тока с формой поданного на вход сигнала, точку покоя выбирают на линейном участке характеристик управления.
Рассмотрим аналогичные графики для полевого транзистора и электронной лампы (рис. 11.4, 11.5).
Точку покоя М выбираем на середине линейного участка АВ путем подачи соответствующего напряжения смещения—напряжения UИ0 на полевом транзисторе и UC0 на электронной лампе. В режиме покоя вся энергия источников питания тратится бесполезно и идет на разогрев PN-переходов, стока, анода. Только переменная составляющая тока, которая появляется при подаче на вход УЭ усиливаемого сигнала, является полезной, так как она создает на нагрузке усиленное напряжение и мощность. Естественно, что чем больше потери мощности за счет постоянной составляющей тока, тем ниже КПД схемы. Однако, выбрав точку покоя на характеристике ниже, чем показано на рис. 11.3— 11.5, и подав на вход сигнал с такой же амплитудой, мы выйдем за пределы прямолинейного участка АВ, что приведет к искажению формы тока по сравнению с формой поданного сигнала. Чем ниже расположена точка покоя, т. е. чем меньше постоянная составляющая тока I0, тем выше КПД усилителя.
Выводы. 1. Усилитель электрических сигналов — это устройство, позволяющее получить в нагрузке мощность, которая больше мощности поданного на вход сигнала. 2. В процессе усиления электрических сигналов энергия источника питания Р0 преобразуется в энергию переменного тока
Рисунок 2 – Схема LTspice для исследования сгенерированного напряжения смещения операционного усилителя
Рисунок 3 – Диаграмма сгенерированного напряжения смещения операционного усилителя
Рисунок 4 – Данные сгенерированного напряжения смещения операционного усилителя, импортированные в Excel
Рисунок 5 – Статистические параметры сгенерированного напряжения смещения операционного усилителя
Рисунок 6 – Гистограмма распределения сгенерированного напряжения смещения операционного усилителя
Рисунок 8 – Полученные значения тока нагрузки при напряжениях смещения, равных нулю
Рисунок 9 – Полученные значения тока нагрузки при изменяющихся напряжениях смещения