Для каждого вида схемной погрешности и соответствующей стратегии проектирования мы отведем несколько параграфов общей дискуссии, сопроводив их иллюстрацией предыдущей схемы. Схемные погрешности разделяются на следующие категории: а) погрешности элементов внешних цепей; б) погрешности ОУ или усилителей, связанные с входными схемами; в) погрешности ОУ, связанные с выходными схемами. Примерами таких категорий являются соответственно допуски резисторов, сдвиг входного напряжения и погрешности, связанные с конечной скоростью нарастания.
Давайте подсчитаем наш бюджет погрешности. В его основе лежит желание удержать погрешность, приведенную ко входу, в пределах 10 мкВ, дрейф выхода — ниже 1 мВ в 10 мин и точность коэффициента усиления — около 0,01 %. Как и в любом бюджете, отдельные составляющие получаются в процессе достижения компромисса между тем, что должно быть сделано и имеющейся технологией. В некотором смысле бюджет погрешности — это результат проектирования, а не его исходный пункт. Нам тем не менее удобней иметь его сейчас.
Бюджет погрешности (наихудшие значения)
1. Буферный усилитель U1.
Погрешности напряжения, приведенные ко входу:
· Погрешности напряжения, приведенные ко входу:
· Температура… 1,2 мкВ/4 °C
· Время… 1,0 мкВ/мес
· Источник питания… 0,3 мкВ/100 мВ изменения
· Ток смещения x Rи … 2,0 мкВ/1 кОм Rи
· Нагрев от тока нагрузки… 0,3 мкВ на полной шкале 10 В
2. Усилительный каскад U2.
Погрешности напряжения, приведенные ко входу:
· Температура… 1,2мкВ/4 °C
· Время… 1,0 мкВ/мес
· Источник питания… 0,3 мкВ/100 мВ изменения
· Токовый дрейф отклонения смещения… 1,6 мкВ/4 °C/1 кОм
· Нагрев током нагрузки… 0,3 мкВ при полной шкале (Rн >= 10 кОм)
3. Усилитель хранения U3.
Погрешности напряжения, приведенные в выходу:
· Температурный коэффициент сдвига… 60 мкВ/4 °C
· Источник питания… 10 мкВ/100 мВ изменения
· Потери в конденсаторе (см. бюджет тока)… 100 мкВ/мин
· Прохождение заряда 10 мкВ
Погрешности тока, протекающего через C1 (нужны для приведенного выше бюджета погрешности по напряжению):
Утечка конденсатора
— максимум (нескомпенсированная)… 100 пА
— типичная (компенсированная)… 10 пА
· Входной ток U3… 0,2 пА
· Сдвиг напряжения U3 и U4/R15 … 1.0 пА
· Утечка ΠΤ-ключа в состоянии «выкл»… 0,5 пА
· Утечка по печатной плате… 5,0 пА
Смысл различных «статей» этого бюджета будет выясняться по мере описания возможностей для выбора, возникающих при проектировании этой схемы. Будем следовать порядку перечисленных ранее категорий погрешностей: компоненты цепей, приведенные ко входу погрешности входного усилителя, погрешности выходного усилителя.
Степень точности источников опорного напряжения, источников тока, коэффициентов усиления усилителей и т. д. зависит от точности и стабильности резисторов, которые применяются во внешних цепях. Даже если прецизионность прямо не требуется, точность элементов все равно может дать значительный. эффект, например в подавлении синфазных помех в дифференциальном усилителе, собранном на ОУ (см. разд. 4.09), где отношения сопротивлении двух пар резисторов должны быть точно согласованы. Точность и линейность интеграторов и генераторов пилообразного напряжения зависят от свойств применяемых конденсаторов, равно как и характеристики фильтров, контуров настройки и т. д. Как мы увидим вскоре, в схеме существуют такие цепи, где точность значений компонент является критическим моментом, а есть и такие цепи, где она едва ли играет роль.
Элементы обычно специфицированы по начальной точности, а также по изменению значения параметров во времени (стабильность) и с температурой. Есть и дополнительные спецификации по коэффициенту напряжения (нелинейность) и необычным эффектам, таким как «память» и диэлектрическое поглощение (для конденсаторов). Полная спецификация включает также эффекты от циклических температурных изменений и пайки, ударов и вибраций, кратковременных перегрузок и влажности, полученные при точно определенных условиях измерений. У элементов с лучшей исходной точностью как правило остальные параметры также соответственно лучше, это делается с целью поднять общую стабильность на уровень, сравнимый с уровнем исходной точности. Общая погрешность, порождаемая остальными эффектами тем не менее, может превзойти указанный начальный допуск. Будьте бдительны!