Спосіб визначення власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача (варіанти)

1. Спосіб визначення власного коефіцієнту підсилення операційного підсилювача, який полягає в тому, що апріорно відому вхідну напругу підсилюють, а по вихідній напрузі обчислюють шуканий коефіцієнт Коп, який відрізняється тим, що додатково за допомогою інвертуючої чи неінвертуючої схеми на операційному підсилювачі з власним коефіцієнтом Коп відому вхідну напругу підсилюють з наперед заданим масштабним коефіцієнтом КU, обчислюють реально одержаний коефіцієнт підсилення, за яким та за масштабним коефіцієнтом КU формують різницю, як абсолютну похибку a перетворення, з урахуванням якої та масштабного коефіцієнта КU аналітично визначають власний коефіцієнт Коп підсилення за узагаль 3 Способи визначення власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача відносяться до області електроніки, мікроелектроніки й стосуються прецезійного застосування операційних підсилювачів (ОП) при розробці, виробництві та тестуванні електронних компонент. Власний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача є основним параметром для пристроїв на активних елементах - основи електроніки. Відомі способи визначення коефіцієнтів підсилення, для розрахунку яких використовують операції порівняння вхідних та вихідних сигналів [Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учебное пособие для вузов / Под ред. И.П. Станенко. - М.: Радио и связь, 1982. - 416 с., ил., с. 322341, глава 10]. Недоліками таких способів є недостатня точність визначення коефіцієнта підсилення та неможливість їх застосування для операційних підсилювачів, для яких цей параметр складає значення 105-106, які вважаються нескінченно великими. Найбільш близьким за технічною суттю рішенням є спосіб визначення власного коефіцієнта операційного підсилювача [Зеленин А.Н. Схемотехника радиоэлектронных устройств на аналоговых ИС. - X.: Телетех, 2003. - 251 с., ил.], який заключається у основній властивості операційного підсилювача: вказаний коефіцієнт встановлюється відношенням вихідної напруги до вхідної. Такий спосіб визначення власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача має тільки теоретичну цінність. Недоліки відомого способу заключаються у тому, що на практиці його застосовувати важко ізза необхідності установки низької вхідної напруги (одиниці мікровольт), що нижче дії шуму, а відсутність необхідних кіл зворотного зв'язку для операційного підсилювача призводе до його збудження. Технічною задачею винаходу є створення умов експериментального визначення з необхідною точністю реального власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача для контролю у його виробництві, застосуванні та розрахунку електронних компонент й пристроїв. Вказана мета досягається тим, що згідно способу визначення власного коефіцієнту підсилення операційного підсилювача, який заключається у тому, що апріорно відому вхідну напругу посилюють, а по вихідній напрузі обраховують шуканий коефіцієнт Kon, згідно винаходу додатково за допомогою інвертуючої чи неінвертуючої схеми на операційному підсилювачі з власним коефіцієнтом Kon відому вхідну напругу підсилюють з наперед заданим масштабним коефіцієнтом KU, чим досягають редукцію великого чисельного значення Kon, обчислюють реально одержаний коефіцієнт підсилення, за яким та за масштабним коефіцієнтом KU формують різницю, як абсолютну похибку а перетворення, з урахуванням якої та масштабного коефіцієнта KU аналітично визначають власний кое 92385 4 фіцієнт Kon підсилення за узагальненою формулою K on 2 KU a . Причому для схеми без інверсії з класичним включенням входів операційного підсилювача точний розрахунок власного коефіцієнта Kon здійсню2 2 KU KU ється за виразом K on KU KU ; a a для схеми без інверсії з альтернативним класичному включенню входів операційного підсилювача точний розрахунок власного коефіцієнта Kon здійснюється за виразом K on 2 KU KU 2 KU KU ; a a для схеми з інверсією з класичним включенням входів операційного підсилювача точний розрахунок власного коефіцієнта Kon здійснюється за ви2 KU KU разом K on KU 1 ; для схеми з інверa a сією та альтернативним класичному включенню входів операційного підсилювача точний розрахунок власного коефіцієнта Kon здійснюється за виразом 2 2 KU KU KU KU K on KU 1 KU 1. a a a a Інший варіант способу визначення власного коефіцієнту підсилення операційного підсилювача заключається у тому, що апріорно відому вхідну напругу посилюють, а по вихідній напрузі обраховують шуканий коефіцієнт Kon згідно винаходу, за допомогою інвертуючої чи неінвертуючої схеми на операційному підсилювачі з власним коефіцієнтом Kon указану вхідну напругу посилюють з масштабним коефіцієнтом KU, додатково змінюють масштабний коефіцієнт KU до значення, при якому абсолютна похибка реального коефіцієнта а підсилення відносно KU складе одиницю, при цьому визначають власний коефіцієнт підсилення за 2 формулою K on K U . При цьому, якщо вхідну напругу встановлюють одиничного значення, наприклад 1 мВ, тоді вихідна напруга в мілівольтах визначить реальний коефіцієнт підсилення, який співставляють з масштабно установленим коефіцієнтом KU, а при досягненні їх різниці у одиницю визначають власний коефіцієнт операційного підсилювача за фор2 мулою K on K U . На Фіг. наведена принципова узагальнена схема на операційному підсилювачі з інваріантним підключенням входів при наявності напруг U1 та U2 на його входах для обґрунтування усіх варіантів способів, що заявляються. Способи визначення власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача (варіанти) можна обґрунтувати та описати їх роботу за допомогою аналітичного моделювання наступним чином: 5 92385 6 Для схеми Фіг. характерне наступне. ІнваріанR1 n ; n 0...1 , відрахованим від входу тне застосування входів операційного підсилювача R1 R 2 передбачає (тут і в подальшому описі, включно у схеми. Для подальшого опису перехід до nформулі винаходу) класичний розподіл інвертуюпараметричного представлення є визначальним. чого (-) у колі зворотного зв'язку і неінвертуючого 1. У загальному вигляді виконаємо опис усіх (+) входів ОП (верхні індекси позначення входів можливих перетворень в схемі Фіг. На ділянці U1 ОП), або альтернативне класичному включення U3 напруга U4 з урахуванням параметра n регулювходів ОП, в якому коло зворотного зв'язку завевання буде складати: U4 =nU3+(1-n)U1. За основдене на неінвертуючий вхід (нижні індекси познаним рівнянням операційного підсилювача з урахучення входів ОП). Коло зворотного зв'язку із резиванням інваріантності можна записати: сторів R1; R2 представлене потенціометром R з параметром n регулювання U3 K on U4  U2 K onU4 K onnU 3  K on 1 n U1 K onU2 K onU2 Згідно (1) залежність вихідної напруги становить: U3 1 K on n U3 K on 1 n 1 K onn K on U1 1 K onn U2 1 n 1 K on 1 n 1 n K on a n n2 1 KU 2 a KU a KU n a a KU 1 n 1 n n Після підстановки у (3) n 1 , та n KU маємо: KU 2 a KU (4) a 1 , тому згідно з (4) K on KU a (2) n n KU KU KU U2 1 n K U теор а 2 KU 2 KU KU a a 2 1 n U1 n U2 2 KU 2 KU 2 KU a (5) a 1 , тоді K on 3.2. Для альтернативного класичному використанню входів ОП K on K onU 2 ; варіантів включення входів операційного підсилювача. 3. У підсилювачі без інверсії з теоретичним ко1 ефіцієнтом підсилення K U теор після знеn хтування малим значенням методичної похибки , розрахункове значення коефіцієнта має опис: 1 . Абсолютна похибка а неінвертуючого KU n коефіцієнта підсилення у цьому випадку складе: KU , звідки K on K on 3.1. При класичному використанні входів ОП K on 1 K on n неінвертуючий опис схеми; R2 1 n U1 U1 K U U1 при U2=0; U3 n R1 інвертуючий опис схеми. 2. Розглянуті описи режимів роботи схем згідно (2) супроводжуються методичною похибкою 1 0 . Відхилення реального значення K on коефіцієнта підсилення від теоретичного визначає абсолютну а - похибку перетворення у кожному з 1 1 U1 Почергова фіксація напруг U1 або U2 до нуля приводить схему до відомих рішень підсилювачів без інверсії та з інверсією відповідно, або в загальному вигляді для інваріантного використання входів (2): R2 1 при U1=0; U3 U2 1 U2 K U U2 n R1 K on 1 n U1 (1) KU 2 KU a (6) n n2 1 K on (3) 7 92385 8 4. У схемі з інверсією теоретичний і розрахунковий коефіцієнти складають відповідно: n 1 n 1 ; KU . Абсолютна похибка K U теор n n KU теор а n 1 n KU 1 Після підстановки у (7) n 1 KU 1 1 n 1 n K on 1 n а n 2 n K on n2 n 1 n , та в разі використання інвертуючих схем опишеться наступними виразами: n2 n n n n 1 n (7) n n2 n 1 можна встановити: K on 1 KU 1 K on 1 1 KU 2 1 KU KU KU 1 KU K on 1 KU KU (8) K on З виразу (8) безпосередньо можна визначити Kon наступним чином. аK U а а K on KU 2 K U , або K on KU 2 аK U а 4.1. Методична похибка для класичних схем з 1 інверсією складає . Тому з (9) після пеK on ретворень будемо мати безпосередньо: K on 2 KU KU KU а 1 2 KU а KU а 2 KU (10) 4.2. У разі альтернативного використання вхо1 1 дів ОП ; n . Тоді за аналогією з K on 1 KU (10) можна встановити: K on 2 KU a KU KU 1 a 2 5. Врахуємо, що K U 2 KU a KU 2 KU (11) a K U , Тоді після спро щення (11) можна показати, що, наприклад, при | а|=1 та KU=103 власний коефіцієнт операційного підсилювача складе Kon=106 з відносною похибкою 0,1%. Це дозволяє узагальнити залежність Kon для різноманітних схем підсилення до виразу K on 2 KU (12) a Таким чином, за виразом (12) можна констатувати, що встановлений у схемі коефіцієнт KU підсилення, при якому досягається абсолютна похибка реального коефіцієнта підсилення на одиницю за модулем ( а=1) однозначно визначає власний коефіцієнт Kon операційного підсилювача з редук а KU 2 KU а KU 1 (9) а цією у корінь квадратний раз від значення власного коефіцієнта Kon. Тому інший варіант способу визначення власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача передбачає варіацію коефіцієнта KU підсилення схемою до отримання абсолютної похибки підсилення, рівної одиниці ( а=1), тоді 2 KU . Технічно це можливо виконати, якщо вхідну напругу встановити одиничною, наприклад 1 мВ, тоді вихідна напруга в мілівольтах визначить реальний коефіцієнт підсилення, який слід співставити з заданим масштабним коефіцієнтом KU, а при досягненні їх різниці у одиницю визначити власний коефіцієнт Kon за цим варіантом способу. Запропоновані способи визначення власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача дозволяють простими засобами виконувати експериментальне дослідження основного показника елементної бази аналогової техніки, який, наразі, визначався у довідковій літературі та паспортних даних на операційні підсилювачі теоретичним значенням, до того ж приблизно. Точне визначення власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача дозволить при побудові електронних схем враховувати індивідуальні особливості конкретних компонент для сучасних і надсучасних схем, які вирішують проблеми створення схем з нано- піко- рівнем похибок, оскільки для цього потрібно узгоджувати за точністю паралельну чи диференційну роботу сукупності операційних підсилювачів у операційній системі. Розглянуті способи визначення власного коефіцієнта підсилення операційного підсилювача (варіанти) можуть бути використані в області електроніки, як основа схемотехнічних рішень для різних напрямів їх застосування у електронному приладобудуванні. K on а KU 9 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 92385 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601