Напряжение сдвига LM358 Опции

[ddd204]

Добрый день!
Первый раз взял в руки операционный усилитель, и не могу понять что происходит.

Есть датчик, внутренне сопротивление неизвестно, есть только рекомендация производителя - нагружать его на 10К (как я понимаю от 10К и выше). Датчик выдает 10,4mV.
При закорачивание выводов датчика резистором 100К - напряжение падает до 10,3mV, т.е. как я понимаю внутреннее сопротивление датчика в пределах 500R-1K.
Напряжение измеряю мультиметром MY64, других "приборов" нет.

Сигнал с датчика необходимо усилить в 10 раз, и дальше подать на АЦП ATmega8.
Для усиления решил использовать операционник LM358. Питание однополярное от "кроны", стабилизированное на LM7805. Операционник подключен по неинвертирующей схеме, токи смещения выровнены резистором на неинвертирующем входе (внутреннее сопротивление датчика пока не учтено). Коэффициент усиления принят К=10, резистор обратной связи многооборотистый подстроечник 100К (см. рис.2).
При подключении датчика к усилителю - на выходе наблюдаю 104mV (выход оставлял и висящим в воздухе, и подключал его к АЦП - результат не меняется). Т.е. получаю просто усиленный сигнал с датчика в 10 раз. Но согласно теории тут должно быть еще напряжение сдвига.
Напряжение сдвига замерил по следующей схеме (см. рис.1) - усилитель подключил по схеме повторителя, неинвертирующий вход подключил на землю - на выходе получил 2,7mV.

Не могу понять куда делось напряжение сдвига (т.е. 2,7mV*10 = 27mV).
Из неучтенного - внутреннее сопротивление датчика. Но если его учитывать, то необходимо уменьшить резистор на неинвертирующем входе на величину внутреннего сопротивления датчика (которое пока неизвестно), что должно привести к уменьшению выходного напряжения с операционника, и эта поправка никак не решает вопрос о напряжении сдвига.

Также непонятно почему некоторые утверждают, что LM358 не может выдать меньше 100mV. "Исскуство схемотехники" раздел про LM358 читал, если я правильно понял, то там написано про ограничение в 100mV при "висящем в воздухе" выходе ОУ, а также про ограничение на входной ток 50uA. При подключении к АЦП ATmega8 я наблюдал и 80 и 70mV, без АЦП пока не проверил, да и непонятно - кто использует ОУ с "висящем в воздухе" выходом.
И такой момент - при подключении LM358 к АЦП ATmega8 (у которой, если я правильно понимаю, АЦП построен на базе емкостного ЦАП) мы получим входной ток в ОУ, при условии, что ОУ выдает напряжение меньшее 0,5AREF АЦП. Этот входной ток я подсмотрел тут: Демоны в АЦП STM32 и судя по порядку полученных результатов (хотя там и рассматривается не ATmega8), входной ток составляет единицы uA, что тоже не должно налагать ограничений на выходное напряжение LM358.



Сообщение отредактировал ddd204 - Mar 10 2015, 08:40

Эскизы прикрепленных изображений

 

[alexvu]

Вы выбрали самый неподходящий ОУ для Вашей задачи. Ни по входу, ни по выходу ничего хорошего от него не получите.
Про напряжение сдвига - если вы его измеряли тоже без отрицательного питания, то это неправильная методика и результат не засчитывается.

[ddd204]

Вы выбрали самый неподходящий ОУ для Вашей задачи. Ни по входу, ни по выходу ничего хорошего от него не получите.
Про напряжение сдвига - если вы его измеряли тоже без отрицательного питания, то это неправильная методика и результат не засчитывается.

Возможно это и неподходящий ОУ, но я пока не вижу причин в чем это выражается. Если это возможно, поясните в чем он плох.
Насчет двуполярного питания - вроде LM358 по даташиту возможно применять при однополярном питании, вот цитата:
"These circuits consist of two independent, high gain, internally frequency compensated which were designed specifically to operate from a single power supply over a wide range of voltages." Да и напряжение сдвига, вроде как всегда положительная величина (тут могу ошибаться).
Непонятно - для чего нужно двуполярное питание при замере напряжения сдвига?

[Tanya]

Возможно это и неподходящий ОУ, но я пока не вижу причин в чем это выражается. Если это возможно, поясните в чем он плох.

Вы задали сразу слишком много плохо сформулированных вопросов. Ответ на некоторые можно узнать из книг.
Лучше напишите, какой у Вас датчик, с какой точностью Вы хотите с его помощью что-то измерять.

[ddd204]

Вы задали сразу слишком много плохо сформулированных вопросов. Ответ на некоторые можно узнать из книг.
Лучше напишите, какой у Вас датчик, с какой точностью Вы хотите с его помощью что-то измерять.

Датчик - PSR-11-39-JD.
Точность 0,1mV (после усиления - 1mV).

[Tanya]

Датчик - PSR-11-39-JD.
Точность 0,1mV (после усиления - 1mV).

Не выясняла принцип действия, но цена датчика позволяет не экономить на усилителе.
Тут у Вас большой выбор. Написано, что датчик довольно медленный, поэтому можно посмотреть в сторону операционных или инструментальных усилителей с т. наз. нулевым дрейфом.

[ddd204]

Не выясняла принцип действия, но цена датчика позволяет не экономить на усилителе.
Тут у Вас большой выбор. Написано, что датчик довольно медленный, поэтому можно посмотреть в сторону операционных или инструментальных усилителей с т. наз. нулевым дрейфом.

Да, если ничего не получится с LM358 я конечно переключусь на другие ОУ.
Но меня заинтересовало именно напряжение сдвига LM358.
Т.к. не понимая принципа действия я могу довольно долго плутать и с другими ОУ, а закрывать глаза на сдвиг, маскируя его ОУ с нулевым дрейфом - нет желания.
Поэтому я и зарегистрировался на форуме, чтобы найти причину, т.к. в книгах/интернете решения не нашел.

Вот у меня вопросы, надеюсь они не отнимут много времени:
1. Возможно ли замерить напряжение сдвига у LM358 при однополярном питании, используя схему на рис.1 (из первого поста).
2. Как надо изменить схему на рис.2, чтобы понять что на выходе (с коэффициентом усиления К=10) есть влияние напряжения сдвига.

[SM]

1. Возможно ли замерить напряжение сдвига у LM358 при однополярном питании, используя схему на рис.1 (из первого поста).

Нет, невозможно. LM358 не может выдавать в таком включении напряжения меньше нуля вольт, да и напряжения до 0.7 вольт, тоже (без немаленькой нагрузки выхода на землю).
Для измерения напряжения смещения (а не сдвига, сдвига - это ток, причем та его часть, которая не компенсируема одинаковостью резисторов), следует создать искусственную среднюю точку при помощи делителя из резисторов, которую использовать в качестве замли для входного и выходного сигналов.

И с терминологией распутайтесь:
- Напряжение смещения - это то, о чем Вы.
- Ток смещения - это ток, потребляемый входами ОУ, он равный для обоих входов, и он компенсируется резисторами.
- Ток сдвига - это ток, на который отличается входной ток одного входа от тока другого входа, и он, превращаясь в напряжение на сопротивлении источника (имеется в виду одинаковом, с учетом компенсации тока смещения, включая резисторы компенсации этого тока), прибавляется к напряжению смещения.

[ddd204]

Нет, невозможно. LM358 не может выдавать в таком включении напряжения меньше нуля вольт, да и напряжения до 0.7 вольт, тоже (без немаленькой нагрузки выхода на землю).

Т.е. вы хотите сказать, что напряжение смещения может быть таким, что при этом на выходе должно получиться отрицательное напряжение?

Хорошо, если используя схему повторителя невозможно замерить напряжение смещения (по причине невозможности получить отрицательное напряжение при однополярном питании), то при включении по схеме усилителя и подсоединении датчика с напряжением 10,4mV на выходе должно быть: 10,4*10-2,7*10=77mV. Но я то получаю 104mV. В чем тут может быть дело?
Да и напряжение меньше чем 0,7V (а точнее - 70mV) с LM358 я получал при подключении выхода ОУ к АЦП ATmega8.
И такой вопрос - если взять другой LM358 - то внутренний дисбаланс может привести к тому, что напряжение смещения будет положительной величиной? И используя схему повторителя таки возможно будет замерить напряжение смещения?

Про среднюю точку я думал, но это добавит определенные сложности с АЦП, т.к. обрабатывать нужно не только датчик, но и напряжение с батарейки. Но для успокоения любопытства я попробую задать среднюю точку и замерить напряжение смещения.

С общепринятой терминологии меня сбила книга "Операционные усилители и линейные интегральные схемы" Р.Кофлин, Ф.Дрискол. Глава 9.5 так и называется - "Входное напряжение сдвига". Я заметил что переводчик, или автор подменил слово "смещение" словом "сдвиг" касательно напряжения, но не придал этому большого значения.

[SM]

Т.е. вы хотите сказать, что напряжение смещения может быть таким, что при этом на выходе должно получиться отрицательное напряжение?

Напряжение смещение обусловлено технологическим разбросом структур, на которых собран входной дифкаскад, поэтому оно имеет непредсказуемые значение и знак, в пределах обещанных документацией.

Т.к. в даташите на LM358 написано, что он работает от "нуля", правда не уточняется насколько близко от нуля он может работать.

Вход у него работает даже не от нуля, а примерно от -0.5...-0.6, а вот выход, просто так если - то, примерно, от +0.7, если его хорошо нагрузить на землю, например на 470 ом, то будет почти от нуля, но не от нуля. И вообще, если это "батарейка на столе", сделайте ему от еще батарейки хотя бы -1.5 вольта отрицательного питания. И все напряжения смещения повылезают.

[ddd204]

Вход у него работает даже не от нуля, а примерно от -0.5...-0.6, а вот выход, просто так если - то, примерно, от +0.7, если его хорошо нагрузить на землю, например на 470 ом, то будет почти от нуля, но не от нуля. И вообще, если это "батарейка на столе", сделайте ему от еще батарейки хотя бы -1.5 вольта отрицательного питания. И все напряжения смещения повылезают.

Спасибо за идею. Такой вариант (подать с другой батарейки минус) осуществить намного проще, чем использовать делитель для задания средней точки.

И такой вопрос: как расчитать выходной ток (т.е. тот самый резистор 470R), при котором LM358 будет выдавать 20mV на выходе? Хоровиц-Хилл пишут что для этого достаточно небольшого выходного тока, соответственно и резистор советуют небольшой (т.е. высокое сопротивление).

И еще вопрос: выход ОУ я подключаю на вход АЦП ATmega8, и при этом получаю довольно "низкие" напряжения (70mV). Если посмотреть на принципиальную схему АЦП в даташите, то видно, что на входе имеется сопротивление 1...100K c последовательным конденсатором 14pF. Как бы получается, что 1...100K не очень вяжется с резистором 470R, и если учесть, что при начале преобразования АЦП этот самый конденсатор должен разрядиться с напряжения 0,5AREF до напряжения на выходе ОУ, то получаем входной ток в ОУ.
Следует ли из этого, что при подключении ОУ к АЦП (при замере напряжений меньших чем 0,5AREF) нет необходимости вешать резистор с выхода ОУ на землю, т.к. по сути у нас получается только входной ток в ОУ? А если учесть, что в таком режиме (т.е. при входном токе с нагрузки) LM358 может выдавать напряжение близкое к нулю (допустим 20mV), при условии что этот входной ток должен быть меньше 50uA, то необходимо резистор вешать не на землю, а последовательно с выходом ОУ (или вообще его не вешать, т.к. входное сопротивление АЦП ограничит этот ток). И как расчитать нижнюю границу входного тока, при котором будет обеспечено 20mV на выходе?

[SM]

И еще вопрос: выход ОУ я подключаю на вход АЦП ATmega8, и при этом получаю довольно "низкие" напряжения (70mV). Если посмотреть на принципиальную схему АЦП в даташите, то видно, что на входе имеется сопротивление 1...100K c последовательным конденсатором 14pF. Как бы получается, что 1...100K не очень вяжется с резистором 470R, и если учесть, что при начале преобразования АЦП этот самый конденсатор должен разрядиться с напряжения 0,5AREF до напряжения на выходе ОУ, то получаем входной ток в ОУ.

Вот именно, что ток в ОУ. А при напряжениях на выходе меньше 0.7 вольт, выход ОУ представляет собой потребитель тока 50 мкА плюс минус примерно 50% (см. того же Х-Х). То есть, если в него втекает такой ток, то на нем будет +0.7 вольт, и все тут. Падать напряжение будет только с падением тока. Поэтому, чтобы выход мог хоть как-то быстро разряжать хоть какие-то емкости, даже щуп осциллографа, там требуется вполне себе низкоомный резистор. Это для около-постоянки. А если требуется какая-то полоса сигнала - то и совсем низкоомный.

Рассчитать границу тока, при котором будет обеспечено 20 мВ - грубо говоря, поделить 20 мВ на то сопротивление, которое Вы привесили между выходом и землей. Потому что при столь низких напряжениях внутренний потребитель тока уже практически не работает.