Часть 1. Теоретические сведения о работе пкд-усилителей

Усилители с периодической компенсацией дрейфа нуля (ПКД-усилители) также как и МДМ –усилители относятся к сверхпрецизионным ОУ, но в отличии от последних за счет некоторого ухудшения параметров постоянного тока имеют большую полосу пропускания.

В работе ПКД-усилителей можно выделить 2 такта:

• Служебный такт, в течение, которого схема выделяет и запоминает напряжение смещения нуля ОУ.

• Рабочий такт, в течение которого усиливается входной сигнал и одновременно осуществляется коррекция напряжения смещения нуля ОУ.

Для осуществления этих операций в простейшем случае в схему инвертирующего ОУ вводится дополнительная емкость и два синхронных ключа, и . Ключи коммутируются импульсами тактовой частоты (рис.1).

Когда ключи замкнуты, то на емкости выделяется напряжение смещения нуля, а сигнал не усиливается. При размыкании ключей выделенное на емкости напряжение смещения нуля ( ) оказывается включенным встречно с входным сигналом и вычитается из него, тем самым осуществляется периодическая оперативная коррекция . Период этой коррекции определяется периодом коммутационной частоты (рис.2)

Постоянная заряда определяется как , где - сопротивление ключей SA. Если - погрешность заряда емкости (установки ), то при экспоненциальном заряде длительность импульса составит

.

Пример: Для , , , получим: .

В режиме хранения сигнал усиливается, емкость медленно разряжается за счет паразитных токов. Разряд емкости определяется соотношением

,

где - все, что разряжает конденсатор. Тогда:

Задаваясь допустимой относительной величиной разряда емкости ( ), получим

Пример: Для , , получим и скважность импульсов коммутации составит не менее 40.

Таким образом, реально и в выходном сигнале будут наблюдаться лишь короткие просечки (рис.2б). Для того чтобы убрать просечки в выходном сигнале, его необходимо фильтровать (например, с помощью ФНЧ). Во многих случаях в качестве ФНЧ можно использовать схему выборки и хранения (СВХ). Тогда схема будет состоять из последовательно включенных ПКД и СВХ (рис.3).

Классическая схема СВХ (рис.3) содержит ключ SA , запоминающую емкость и повторитель на . В работе такой схемы есть 2 этапа:

• Выборка, когда ключ SA замыкается и выходное напряжение ПКД запоминается на .

• Хранение, когда ключ SA размыкается и напряжение продолжает транслироваться на выход повторителя. При этом медленно разряжается за счет паразитных токов утечки. Вид выходного сигнала показан на рис.3в. В этом случае справедливы все соотношения для заряда и разряда емкости, которые выводились ранее. Из-за своих свойств фильтровать синхронные импульсные помехи СВХ часто называют «идеальным» ФНЧ.

Существуют еще более продвинутые схемы ПКД усилителей, в которых просечки устраняются принципиально (рис.4). При построении таких схем используется идея двухканальности. В основном канале находится широкополосный усилитель , который никогда не отключается от входа, а на усилителе реализуется канал коррекции. В работе схемы можно выделить 2 этапа:

 Когда ключи SA находится в 1-ой позиции на выделяется напряжение смещения нуля усилителя и он корректируется в ноль.

 Когда ключи перебрасывается во вторую позицию, то к входу усилителя оказывается приложенным напряжение смещения нуля первого ОУ и корректирующее напряжение смещение нуля . В результате на выделяется напряжение смещения нуля первого ОУ, которое скорректирует основной усилительный канал на .

Таким образом, параметры постоянного тока данного класса ОУ соответствуют сверхпрецизионным усилителям, а параметры переменного тока – усилителям широкого применения.

Тем не менее, при применении ПКД усилителей следует учитывать их общий недостаток – повышенный уровень помех, связанный с работой коммутационных схем и возможность появления сигналов паразитных гармоник и субгармоник коммутационной частоты в выходном сигнале. Впрочем, это не вызывает особых проблем и приводит лишь к необходимости лучшей фильтрации выходного сигнала и цепей питания.

Второй существенный недостаток 2-х канальных ПКД усилителей это катастрофические характеристики по насыщению. Дело в том, что корректирующий НЧ канал действует как система с полной обратной связью. В том случае, если выход попадает по какой-нибудь причине в насыщение, то на входе возникает большой дифференциальный сигнал, который и усилитель «загонит» в насыщение. Выход из насыщения происходит достаточно медленно (несколько секунд). Избежать подобного развития событий можно, например, установкой двусторонних стабилитронов VD в цепь ОС.

За рубежом некоторые фирмы, например National (США), стали выпускать чипы автоподстройки нуля ОУ, которые включаются на входе любого широкополосного или мощного ОУ с посредственными характеристиками по постоянному току (рис.5). Чипы автоподстройки нуля ОУ являются по существу МДМ или ПКД усилителями с малой собственной аддитивной погрешностью. При этом аддитивная погрешность исходного ОУ уменьшается пропорционально коэффициенту передачи корректирующего канала (реально на два-три порядка). Такой подход позволяет сравнительно просто модернизировать ранее разработанную аппаратуру.