В настоящее время существует много операционных усилителей с типичным напряжением смещения, которое очень мало по сравнению со стандартными требованиями системы. Если один из этих операционных усилителей вписывается в бюджет проекта, у нас не будет необходимости учитывать напряжение смещения в процессе проектирования.
Однако иногда этот неидеальный аспект работы операционного усилителя может заметно повлиять на характеристики схемы. Наша цель в этой статье – представить метод анализа эффектов напряжения смещения с помощью SPICE-моделирования.
Схема, которую мы будем использовать в качестве примера – это прецизионная схема подкачки заряда. На следующем рисунке представлена эта схема и теоретические отношения ввода-вывода.
Неизбежные несовпадения компонентов внутри операционного усилителя приводят к тому, что дифференциальный вход 0 В создает ненулевое положительное или отрицательное выходное напряжение. Входное напряжение смещения – это напряжение, которое вы должны подать на одну из входных клемм, чтобы компенсировать рассогласование и, таким образом, достичь выхода 0 В для входа 0 В.
Смещение напряжения вызывает проблемы, потому что оно заставляет операционный усилитель отклоняться от идеализированной модели, которая дает лучшие результаты и более удобна для пользователя. Кроме того, серьезность этого отклонения не может быть предсказана с высокой точностью: документация может описывать напряжение смещения, используя одно число, только если оно относится к типичному или максимальному напряжению смещения. Чтобы получить более полное представление о поведении напряжения смещения, вам необходимо взглянуть на распределение, полученное при описании множества устройств (с одинаковым наименованием компонента).
В документации на AD8606 представлен следующий график, который поможет нам понять распределение значений напряжения смещения для этого компонента.
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.
Если мы хотим включить напряжение смещения в анализ схемы, мы добавляем источник постоянного напряжения последовательно с положительной или отрицательной входной клеммой операционного усилителя. В результате получится схемная модель, которая будет выглядеть примерно так:
Оранжевый операционный усилитель – это идеальный операционный усилитель или, по крайней мере, операционный усилитель без 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 типичным напряжением смещения или максимальным напряжением смещения, если вам нужно выбрать одно значение. В SPICE моделировании мы можем выбрать много разных значений.
При моделировании в LTspice для получения изменений значений, например, сопротивления, соответствующих допуску резистора, можно использовать функцию Монте-Карло (сокращенно mc). Однако функция mc производит случайные числа в соответствии с равномерным распределением. Нам нужны случайные числа с нормальным распределением, поэтому вместо этого мы воспользуемся функцией Гаусса. Схема выглядит следующим образом.
Мы намерены здесь проанализировать только влияние напряжения смещения. Все резисторы настроены на свои номинальные значения без каких-либо допусков, и операционный усилитель является идеальным однополюсным операционным усилителем LTspice, а не макромоделью, соответствующей реальному компоненту. Мы хотим, чтобы напряжения смещения отражали изменение, которое мы можем увидеть в реальном операционном усилителе, и, поскольку мы использовали AD8606, то будем использовать характеристики напряжения смещения AD8606. Другими словами, мы попытаемся аппроксимировать распределение напряжения смещения, представленное гистограммой, которую мы рассмотрели ранее в данной статье.
В документации на AD8606 указано типичное значение напряжения смещения 20 мкВ, поэтому мы использовалм это значение в качестве номинального значения для источников напряжения, представляющих напряжение смещения. Аргумент, переданный функции гаусса – это стандартное отклонение случайно сгенерированных чисел. Таким образом, значения напряжения смещения определены как (20 мк + гаусс (50 мк)), что означает гауссово распределение со средним значением 20 мкВ и стандартным отклонением 50 мкВ.
Эта комбинация среднего и стандартного отклонения приводит к распределению, которое достаточно согласуется с гистограммой, полученной для AD8606. Этот же метод можно использовать для аппроксимации спецификаций напряжения смещения для любого операционного усилителя, который имеет приблизительно нормальное распределение значений напряжения смещения – вы просто изменяете среднее значение и/или стандартное отклонение по мере необходимости.
© digitrode.ru