ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОУ С ОДНИМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ

В ОУ с однополярным питанием используются внешние цепи смещения для симметрирования входных/выходных сигналов. Особенности построения таких цепей рассмотрены в настоящей публикации.
Р. Могхими

Типовая схема неинвертирующего усилителя переменного тока с однополярным питанием приведена на рис. 1. Для организации симметричного выхода напряжение питания делится пополам резистивным делителем. Однако такое решение приводит к снижению устойчивости ОУ и уменьшению коэффициента ослабления нестабильности напряжения питания. Коэффициент усиления К (по переменному току) равен К =1+ R 2/R 1 (рис. 1). На неинвертирующий вход усилителя через резистор Rin (определяющий входное сопротивление усилителя) подано напряжение смещения, равное половине напряжения питания VS и формируемое делителем R8/R9.

Рис. 1. Усилитель переменного тока на основе ОУ с однополярным питанием (средняя точка формируется резистивным делителем)

Емкость С1 является разделительной по постоянному току в цепи ОС, благодаря чему напряжение смещения на инвертирующем входе равно величине постоянной составляющей напряжения на выходе усилителя. Частотная характеристика усилителя имеет спад АЧХ в области нижних частот. Точки перегиба АЧХ определяются соотношениями
f i=1/ и f 2=1/(2n R1C1).
На постоянном токе коэффициент усиления ОУ между неинвертирующим входом и выходом равен 1 и поэтому он не усиливает шумы, которые могут попадать на вход через цепи смещения.
Кроме того, наличие делителя R8/R9 приводит к прямой передаче помех из цепи питания во входную цепь ОУ. Частично эти помехи могут быть отфильтрованы емкостью С2, однако низкочастотные помехи все равно могут вызвать потерю точности усилителя. При этом простое увеличение емкости С2 может привести к снижению КОСС и потере устойчивости усилителя за счет образования дополнительной обратной связи по цепи питания.
Более эффективным решением для формирования напряжения смещения на входе усилителя переменного тока с однополярным питанием является включение опорного источника ADR821 или ADR827 во входную цепь ОУ (рис. 2). Применение опорного источника позволяет снизить стоимость, уменьшить потребление, число внешних компонентов и размеры проектируемого усилителя. Низкоимпедансный опорный источник обеспечивает высокие коэффициент ослабления нестабильности напряжения питания и устойчивость усилителя. В качестве опорного источника кроме внешней ИМС может быть использован внутренний опорный источник АЦП или ЦАП. К преимуществам ADR821 можно отнести высокую температурную стабильность (15 ppm/°C) и малое потребление (не более 400 мкА).

Рис. 2. Усилитель переменного тока на основе ОУ с однополярным питанием (средняя точка формируется опорным источником ADR821 или ADR827)

Специальный вывод TEMP (4) ИМС ADR821/ ADR827 может быть использован для температурного мониторинга спроектированной на основе усилителя (рис. 2) системы. Температурный коэффициент ИМС опорного источника составляет 1.9 мВ/°С. График зависимости напряжения на выходе ТЕМР ИМС ADR821/ ADR827 от температуры приведен на рис. 3.

Рис. 3. График зависимости напряжения на выходе ТЕМР опорного источника ADR821/ADR827 от температуры

ВЫВОДЫ
1. При построении усилителей переменного тока на основе ОУ с однополярным питанием необходимо обеспечить прохождение симметричного сигнала со входа на выход.
2. Искусственное формирование средней точки входного/выходного сигнала может быть выполнено с использованием внешнего резистивного делителя или ИМС опорного источника.
3. В случае использования делителя может быть потеряна устойчивость в полосе рабочих частот, ухудшены КОСС и коэффициент ослабления нестабильности напряжения питания. Включение опорного источника во входную цепь усилителя позволяет избавиться от этих недостатков. Кроме того, последнее решение обеспечивает уменьшение размеров, тока потребления и позволяет производить внутрисистемный мониторинг температуры.