Повышение устойчивости оу.

Часто разработчик электронной аппаратуры попадает в ситуацию, когда вроде бы правильно спроектированная схема с ОУ и, даже больше того, схема, нормально работавшая на макетной плате, будучи перенесена на окончательную печатную плату, начинает возбуждаться. Скорее всего, здесь дело в неудачной топологии печатной платы, создающей повышенную входную емкость ОУ. При единичном производстве перепроектировать и изготовить заново печатную плату слишком накладно. Кроме того, нельзя поручиться, что после переделки ситуация улучшится. Какие же меры можно предпринять в этом случае?

Самый простой метод заключается в уменьшении петлевого усиления.

Повышение устойчивости операционных усилителей путем снижения петлевого усиления:

а—с помощью дополнительного резистора, б—с помощью последовательной RC-цепочки.

Например, в схеме инвертирующего усилителя между инвертирующим входом ОУ и землей подключают резистор (a). Тогда коэффициент петлевого усиления

С уменьшением R₃ уменьшается и К_п, поэтому всегда можно настолько уменьшить петлевое усиление, что схема станет устойчивой. В то же время коэффициент передачи входного сигнала не меняется

Что же ухудшится при этом? Возрастет погрешность, обусловленная конечным значением коэффициента усиления усилителя, причем на всех частотах. Эта погрешность, приведенная к входу усилителя, составит

Можно уменьшить эту погрешность хотя бы в области низких частот, включив последовательно с резистором R₃ конденсатор (б). Тогда при правильном выборе емкости этого конденсатора петлевое усиление будет снижено только в области частоты среза. Тем не менее полоса пропускания схемы заметно ухудшится, так как она прямо связана с коэффициентом передачи по цепи обратной связи.

Поскольку входы ОУ, как правило, располагаются рядом на корпусе ИМС, можно, используя SMD-компоненты (бескорпусные ЧИП-резисторы и конденсаторы, предназначенные для поверхностного монтажа), подкорректиро-вать устойчивость усилителя.

Аналогичные результаты дает подключение параллельно выходу усилителя дополнительного резистора или последовательной RC-цепи.

Снижение токов утечки.

Во многих случаях (в интеграторах, усилителях сигналов пьезодатчиков и др.) требуются усилители с малыми входными токами. Для этого выпускается длинный ряд моделей ОУ с входными каскадами на супербета- и полевых транзисторах, входные токи которых составляют доли нА, а для некоторых типов — доли пА. Для успешного применения таких ОУ следует решить проблемы, связанные с утечкой токов по поверхности печатной платы.

Если не принять никаких мер, то токи утечки могут легко стать больше входных токов ОУ, что вызовет дополнительное смещение входного напряжения. Для уменьшения возможности возникновения такого смещения необходимо тщательно очистить печатную плату после монтажа и покрыть ее эпоксидным или иным компаундом с целью предотвращения влияния влаги и дальнейшего ее загрязнения.

Однако даже чистая печатная плата не обладает бесконечным сопротивлением. При температуре 125°С сопротивление между двумя параллельными проводниками длиной 20 мм и расстоянием между ними 1 мм составляет около 10¹¹ Ом. Если один из них — шина питания +15 В, а другой — инвертирующий вход с нулевым потенциалом, то нетрудно рассчитать, что при этом в суммирующую точку усилителя будет втекать ток 0,15 нА, не предусмотренный схемой, что намного больше входных токов многих типов ОУ. Это приведет к значительному смещению нуля усилителя. Проблема решается путем создания вокруг входных выводов ОУ проводящего, охранного, кольца, подключаемого к некоторой точке схемы с низким сопротивлением, находящимся практически под тем же потенциалом, что и входы ОУ. Это эффективно препятствует протеканию тока по плате к входам усилителя. Охранные кольца должны полностью окружать входы ОУ и выводы резисторов, конденсаторов, диодов и других элементов схемы, подключенных к входам ОУ. Для достижения максимального эффекта при монтаже в отверстия, охранные кольца должны быть помещены как с верхней, так и с нижней стороны печатной платы. На рисунке показаны печатная плата с охранным кольцом (экраном), а также способы ее подключения в типовых схемах включения ОУ.

Охранное кольцо:

а — топология, б... г — способы его подключения

Имеется и другой способ борьбы с утечками, который дает даже лучшие результаты, чем защитные кольца на печатной плате. Он заключается в том, что выводы входов ОУ вообще не впаиваются в печатную плату и соединяются со всеми присоединяемыми к ним элементами в воздухе. Для большей жесткости вывод ОУ и точку соединения можно опереть на фторопластовую стойку.

Другой потенциальный источник утечки, который может остаться незамеченным, — это корпус микросхемы. Дополнительные токи утечки могут протекать по пленке соли или жира, оставленной на поверхности корпуса после прикосновения к нему руками.