О РЕАЛЬНОМ ИНТЕГРАТОРЕ

До сих пор операционный усилитель в интеграторе считался идеальным. В действительности реальный операционный уси­литель имеет некоторое напряжение сдвига и нуждается в не­котором токе смещения. Напряжение сдвига интегрируется как ступенчатая функция, что дает дополнительный линейно-нара­стающий (или спадающий) выходной сигнал, причем полярность этого сигнала определяется полярностью U_сдв, а наклон — вели­чиной U_сдв. Ток смещения течет через конденсатор обратной связи, что также приводит к появлению наклонного выходного сигнала. В результате действия этих двух эффектов конден­сатор обратной связи через некоторое время неизбежно заряжается до максимально возможного выходного напряжения усилителя. Такое постепенное накопление заряда на конденса­торе обратной связи накладывает ограничение на интервал времени, в течение которого может быть осуществлено интегри­рование с достаточной точностью. Кроме того, U_сдв добавляется к напряжению на конденсаторе, и, поскольку это напряжение равно U_вых, такая прибавка вносит в результат ошибку, равную U_сдв. В итоге выражение для U_вых принимает вид

U_вых = - (1/RC)  + (1/RC) U_сдвdt + 1/C I_см dt + U_сдв.

Последние три члена в правой части равенства соответствуют указанным выше ошибкам, а первый член описывает полезный выходной сигнал. Знаки погрешностей могут быть лю­быми по отношению друг к другу и к полезному сигналу.

Ошибку напряжения сдвига можно уменьшить следующими приемами: 1) использовать операционный усилитель с низким U_сдв; 2) периодически сбрасывать интегратор (т. е. разряжать конденсатор до некоторого заранее выбранного значения); 3) шунтировать С сопротивлением R_p, как показано на рис. 3.7.4. Все три слагаемых ошибки интегратора уменьшаются при ис­пользовании этих приемов.

Шунтирование конденсатора обратной связи сопротивлением R_p позволяет на низких частотах, где конденсатор фактически действует как разомкнутая цепь, ограничить напряжение ошиб­ки величиной (R_P/R)U_сдв вместо АU_сдв. К несчастью, такое шунтирование одновременно ограничивает снизу область ча­стот, в которой происходит интегрирование. Например, на ра­бочей частоте f = 3/2πR_pC точность интегрирования составит около 5 %; увеличение рабочей частоты выше величины l/2πR_pC приведет к увеличению точности.

Слагаемое ошибки в правой части последнего равенства, связан­ное с током смещения, можно уменьшить за счет использова­ния операционного усилителя со входом на полевых транзисто­рах или путем подключения между неинвертирующим входом и землей сопротивления R_комп, равного R || R_p, если в схеме уже использовано сопротивление R_p. Этот способ компенсации I_см аналогичен способу компенсации I_см в различных усилителях, рассмотренному ранее. Схема включения сопротивления R_комп показана на рис. 3.7.4.

Рнс. 3.7.4. Коррекция ошибки интегратора в случае медленно меняющегося сигнала.

Ключ Кл служит для периодического сброса конденсатора С. Сопротивление R_P служит для уменьшения эффекта U_СДВ. Сопротивление R_КОМП уменьшает эффект I_СМ

При использовании такого сопротивления третий член в правой части последнего равенства принимает вид (l/C) I_сдвdt.

Иногда сопротивление R_комп шунтируют конденсатором C_комп, таким, что R_вх.усС_вх.ус ≈ R_компC_комп, что одновременно обеспе­чивает частотную компенсацию (симметрирование входов).

Использование усилителя, стабилизированного прерыванием, также помогает снизить ошибки, возникающие за счет U_сдв, I_см и I_сдв.

Для установки нуля сдвига усилителя, используемого без резистора обратной связи R_p, конденсатор С следует зашунти­ровать сопротивлением, которое отключается после установки нуля (при переходе в рабочий режим).

Конденсаторы, используемые в интеграторах с большими временами интегрирования, должны иметь очень высокое соб­ственное параллельное активное сопротивление (т. е. очень ма­лые утечки). Хорошую стабильность на больших временах обеспечивают тефлоновые или полистироловые конденсаторы. При более коротких периодах интегрирования и на достаточно высоких частотах (около 1 кГц и выше) интегрируемых сигна­лов хорошие майларовые конденсаторы часто дают вполне удовлетворительные результаты.