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]

У него вход работает от нуля, а выход-нет.
Сделайте схему, чтобы на выходе было не меньше 0.7В - и измеряйте что-нибудь тогда.

[ddd204]

У него вход работает от нуля, а выход-нет.
Сделайте схему, чтобы на выходе было не меньше 0.7В - и измеряйте что-нибудь тогда.

Выход у LM358 тоже работает почти от нуля, но необходимо соблюдать некоторые условия. Эти условия описаны в "Искусство схемотехнике" в разделе про ОУ с однополярным питанием, более того, там рассматривается именно LM358. Этих условий я не нарушаю, поэтому на выходе уже и получил 70mV. Для проверки возможностей LM358 попробую делителем подать на вход менее 7mV и посмотреть до каких пределов он сможет работать. Но недоверять Хоровицу-Хиллу у меня нет причин, если они описывают условия, при которых LM358 будет выдавать почти ноль (или даже ноль) на выходе, то теоретически он должен это делать.

Схему, когда на входе подается не меньше 0,7V я уже проверил. Если вы вернетесь на несколько постов выше, то увидите, что при подаче на вход 1,5V у меня опять не получилось замерить напряжение смещения (точнее получился ноль), при этом я использовал схему повторителя, для того чтобы ОУ не вошел в режим насыщения.

[Tanya]

Выход у LM358 тоже работает почти от нуля,

Не очень понятно, зачем вы это все тут пишете... Вопросов не задаете нормальных, ответы не читаете.
Вы хотите сделать лабораторную работу по изучению одного конкретного экземпляра ширпотребовского операционного усилителя? Я в этом не вижу никакого смысла - все можно найти в даташите, где производитель гарантирует некоторые коридоры для некоторых параметров, - на них и следует ориентироваться.
Если уж так хочется, то повторю.
На входы по резистру...(несколько килоом), в обратной связи - раз в 100 больше. Входные резисторы соединяем вместе и подсоединяем эту точку к движку низкоомного потенциометра, включенного между нулем и питанием. Измеряем напряжение между движком и выходом ОУ - получаем смещение нуля, усиленное в отношение величин сопротивления резисторов на входе и в обратной связи. Заодно измеряем коэффициент подавления синфазного сигнала. Только не нужно ставить этот ОУ для усиления сигнала с Вашего датчика.

[ddd204]

Не очень понятно, зачем вы это все тут пишете... Вопросов не задаете нормальных, ответы не читаете.

Пишу по очень простой причине. Перед созданием этой темы я прочитал почти все темы с этого сайта по запросу LM358 - это около 19страниц, но ничего путного не нашел. Довольно часто встечались фразы "ширпотреб", напряжение выхода меньше 100mV невозможно получить, дрейф вам все испортит и т.п. Особенно понравилась тема про измерительные весы, где в итоге этот самый злосчастный дрейф был "устранен" простым нажатием кнопки калибровки перед измерением - и в итоге LM358, как усилитель, оказался не хуже другого "неширпотреба".

Все ответы я читаю достаточно внимательно, но т.к. до этого с "электричеством" не был связан, то некоторые "очевидные" фразы, по типу "сделать простейший инструментальный усилител" могу понимать неправильно, т.к. посмотрев на схему такого ОУ не смог это связать с фразой "добавить резистор". Если более внимательно в этом разобраться, то на рис.2 (из первого поста) уже и собран такой "простейший" ОУ, и резисторов в нем ровно столько, сколько вы и советуете. Да и два входа его я тоже объединял, вот только их заземлял. По вашему совету на эти входы надо добавить напряжение, и изменить Ку с 10 до 100, этот вариант я тоже проверю, но уже предвижу какой результат получится.

Вы хотите сделать лабораторную работу по изучению одного конкретного экземпляра ширпотребовского операционного усилителя? ...

Я уже давно не занимался лабораторными работами, да и образование у меня лежит не в этой плоскости.
Я хочу разобраться с напряжением смещения, поэтому тема и имеет то название, которое имеет.

[Tanya]

Если более внимательно в этом разобраться, то на рис.2 (из первого поста) уже и собран такой "простейший" ОУ, и резисторов в нем ровно столько, сколько вы и советуете.

Я хочу разобраться с напряжением смещения, поэтому тема и имеет то название, которое имеет.

Надо было добавить еще один резистор с неинвертирующего входа на землю, по величине равный резистору в обратной связи.
Вам уже все сказали, что не нужно разбираться с напряжением смещения этого ОУ.
Надо взять ОУ с гарантированным микровольтовым напряжением смещения. Таких много. Ведь Вы собираетесь измерять милливольты. У них также нормирован температурный дрейф этого самого злосчастного напряжения смещения. Он там тоже маленький. И временной.
А что у вас там за датчик? Электрод Кларка?

[ddd204]

Надо было добавить еще один резистор с неинвертирующего входа на землю, по величине равный резистору в обратной связи.
Вам уже все сказали, что не нужно разбираться с напряжением смещения этого ОУ.
Надо взять ОУ с гарантированным микровольтовым напряжением смещения. Таких много. Ведь Вы собираетесь измерять милливольты. У них также нормирован температурный дрейф этого самого злосчастного напряжения смещения. Он там тоже маленький. И временной.
А что у вас там за датчик? Электрод Кларка?

Спасибо про резистор на землю, но при простой проверке у меня этот резистор и так сидел на земле. Т.е. тот резистор на неинвертирующем входе с рис.2 на самом деле представляет из себя два параллельно соединенных резистора, по номиналам равным двум резисторам на инвертирующем входе (для уравнивания падений напряжений от токов смещения). Т.е. при закорачивании двух входов ОУ на землю, получалась та самая схема, которую вы посоветовали, но только без потенциала "смещения входов", которое вы советуете организовать с помощью потенциометра. Как я понял, при подаче потенциала на закороченные входы ОУ один из резисторов неинвертирующего входа надо посадить на землю, т.е. мы получаем дифференциальный усилитель, но у меня вопрос - будет ли такой усилитель работать при однополярном питании. Т.к. в моем понимании диф.усилитель - это сумма двух усилителей - инвертирующего и неинвертирующего, а при однополярном питании инвертирующий усилитель вроде не работает.
Да и при использовании диф. усилителя вроде строгие требования по номиналам резисторов, как бы это не повлияло на результат замера.

С устройством датчика ознакомлен плохо - в первом приближении: молекулы газа проникают через мембрану, тем самым создается ЭДС на выходе датчика. Чем выше давление газа, тем больше проникновение через мембрану, тем большее ЭДС. Термокомпенсация присутствует.

Еще раз. Уже третий! При втекающем токе в 51 мкА - получите 0.7 вольт на выходе. Это падение от этого тока на эмиттерном повторителе выхода от 1 мкА втекающего тока. Потребитель тока на 50 мкА при этом потребляет оставшиеся 50 мкА. Это очень грубо. Без учета неидеальности токового зеркала, которое и есть тот самый потребитель. При снижении входного тока, втекающего в выход, транзистор токового зеркала входит в насыщение, и падение напряжения на нем строго определяется зависимостью падения напряжения на насыщенном биполярном транзисторе от протекания этого тока. Ни я не знаю, ни даташит не говорит, какие конкретно параметры у этого транзистора. Поэтому, повторю еще в очередной раз, принимайте этот ток за НОЛЬ, пренебрегайте им, и рассчитывайте сопротивление так, чтобы оно ЗАДАВИЛО напрочь входной ток на столько, чтобы в ОУ его втекало пренебрежимо мало, чтобы он гарантировано не создавал падений на внутреннем транзисторе.

Спасибо за детальное пояснение.
Вот именно так я и понял Х.Х., что нижнего предела входного тока практически нет. Но в предыдущем посте вы написали: "Потому что при столь низких напряжениях внутренний потребитель тока уже практически не работает." И за неимением опыта я занялся "чукчеписательством", чтобы выяснить - что означает фраза "потребитель тока уже практически не работает".

А сколько штук разных LM358 из разных партий Вы таким образом проверили? Чтобы так смело утверждать, что ДОЛЖНЫ были увидеть все это разнообразие всех плюс минус 30-ти милливольт? Ведь вероятность того, что конкретно у Вашего экземпляра оно около-нулевое, или чем-то там скомпенсировалось само собой в почти ноль, очень даже немаленькая.

Проверил только один. Возможно он вообще нерабочий, но исправно усиляет сигнал в 10 раз без влияния напряжения смещения.

Жжоте. Как сейчас принято выражаться. Вероятность, что оно отрицательное, ровно 50%. То есть, у половины экземпляров ОУ в ваших условиях оно будет отрицательным, а у другой половины - положительным. Вы специально пропустили ответ, где я писал про распределение, про Гауссов колокол? Чукча писатель?

Нет, ничего я не пропускал, я даже написал (тоже три раза), что непонимаю что произойдет, если напряжение смещения приводит к тому, что на выходе должно быть отрицательное напряжение, и при использовании однополярного питания мы получим ноль, а не отрицательное напряжение смещения.
Т.е. достаточно проверить LM358 - и если он выдает отрицательное напряжение смещения на выходе, то мы получим при однополярном питании ОУ, у которого нет влияния этого смещения от внешних факторов, например от температуры. И достаточно будет скомпенсировать только падение напряжений от токов смещения (токами сдвига принебрегаем) - и получим довольно точный усилитель. Но эта затея мне не нравится.

[Tanya]

Спасибо про резистор на землю, но при простой проверке у меня этот резистор и так сидел на земле.

С устройством датчика ознакомлен плохо - в первом приближении: молекулы газа проникают через мембрану, тем самым создается ЭДС на выходе датчика. Чем выше давление газа, тем больше проникновение через мембрану, тем большее ЭДС. Термокомпенсация присутствует.

Что там у Вас было реально - отсюда не видно. Если там внутри термокомпенсация, то, похоже, датчик электрохимический, аналогичный Фигаро, тогда нужно использовать усилитель с большим входным сопротивлением (и малыми входными токами). Внимательно прочитайте, что у Вас в бумажке написано.
Вот и берите адекватный монолитный инструментальный (не ОУ) усилитель.
Добавка. Кислород диффундирует через мембрану в электрохимическую ячейку. Она является генератором тока, нагруженным на резистор (500 килоом)+ последовательно термистор. С этой цепочки и снимается выходное напряжение. Поэтому оно в милливольтовом диапазоне, так как ячейка работает практически в режиме короткого замыкания. Ток пропорционален скорости диффузии. Ничего не накапливается. Поэтому шунтировать внешней цепью всю эту конструкцию нельзя.
Вот посчитаем - 10 милливольт на (грубо) 1 МОм - ток 10 нА. Значит нужно использовать усилитель с входными токами на пару порядков меньше.
Почему я и спрашивала про входной ток. (Для SM)

[ddd204]

Что там у Вас было реально - отсюда не видно. Если там внутри термокомпенсация, то, похоже, датчик электрохимический, аналогичный Фигаро, тогда нужно использовать усилитель с большим входным сопротивлением (и малыми входными токами). Внимательно прочитайте, что у Вас в бумажке написано.
Вот и берите адекватный монолитный инструментальный (не ОУ) усилитель.
Добавка. Кислород диффундирует через мембрану в электрохимическую ячейку. Она является генератором тока, нагруженным на резистор (500 килоом)+ последовательно термистор. С этой цепочки и снимается выходное напряжение. Поэтому оно в милливольтовом диапазоне, так как ячейка работает практически в режиме короткого замыкания. Ток пропорционален скорости диффузии. Ничего не накапливается. Поэтому шунтировать внешней цепью всю эту конструкцию нельзя.
Вот посчитаем - 10 милливольт на (грубо) 1 МОм - ток 10 нА. Значит нужно использовать усилитель с входными токами на пару порядков меньше.
Почему я и спрашивала про входной ток. (Для SM)

Да, датчик скорее всего электохимический.
Бумажки на датчик нет, из интернета удалось выловить только рекомендацию производителя - нагрузка на датчик 10К (как я понимая от 10К и выше)
Скорее всего я и возьму инструментальный усилитель, но меня терзает это напряжение смещения у LM358.

Возможно я и напишу что-то не то - но я закорачивал выход датчика резистором 100К, при этом падение напряжения составило 0,1mV - я пришел к выводу, что выходное сопротивление датчика лежит в пределах 500R...1К, что в принципе коррелирует с рекомендацией производителя по нагузке.
Если подскажите как такой ток 10nA можно замерить, я попробую это сделать.

Так так и есть. Допустим, что при нуле на входе усилителя с КУ=10 из-за смещения на выходе должно получиться -30 mV (смещение -3 mV). Но отрицательного питания нет, и на выходе ноль. На вход теперь подаем 1 вольт, на выходе должно стать 10 вольт, а получаем 9.770 вольт - те же -30 mV.

На вход я уже подал 153mV, на выходе получил в среднем 1537mV, никаких -30mV не наблюдается.
Попробую подать 340mV, возможно что нибудь и вылезет.

Подскажите что почитать, чтобы разобраться как фунциклирует этот LM358.

[Tanya]

Да, датчик скорее всего электохимический.
Бумажки на датчик нет, из интернета удалось выловить только рекомендацию производителя - нагрузка на датчик 10К (как я понимая от 10К и выше)

Если подскажите как такой ток 10nA можно замерить, я попробую это сделать.

Не может быть 10 килоом. Ток получается 1 микроампер только во внешнюю цепь... А внутри на порядки больше. Это нужно очень большую площадь мембраны иметь. Такой ток измерить можно, например трансимпедансным (так это называется) усилителем. ОУ для таких целей нужно с входным током в доли нА и малым напряжением смещения (желательно), так как ток весь должен идти наружу, минуя внутреннюю нагрузку. Но пропадет термокомпенсация.

[ddd204]

Не может быть 10 килоом. Ток получается 1 микроампер только во внешнюю цепь... А внутри на порядки больше. Это нужно очень большую площадь мембраны иметь. Такой ток измерить можно, например трансимпедансным (так это называется) усилителем. ОУ для таких целей нужно с входным током в доли нА и малым напряжением смещения (желательно), так как ток весь должен идти наружу, минуя внутреннюю нагрузку. Но пропадет термокомпенсация.

Вот ущербный даташит на сенсор: R22D - это аналог, рекомендованная нагрузка - 10K.
Спасибо, я понял, что ток измерить нереально.

Можно так датчик и убить. Случайно...

Я имел ввиду стандартное подключение датчика к ОУ, только Ку принять 100, а не 10. И посмотреть, будет ли на выходе присутствовать (напряжение смещения)*100.

[SM]

Я имел ввиду стандартное подключение датчика к ОУ, только Ку принять 100, а не 10. И посмотреть, будет ли на выходе присутствовать (напряжение смещения)*100.

Вам ведь уже говорили - подайте условный ноль на вход. То есть, оба входа подключите к некой точке, смещенной от земли вверх, без разницы, чем и как. Tanya советовала переменный резистор - очень даже вполне. И меряйте между этой точкой, дающей смещение, и выходом. А Ку поставьте 1000 (чтобы 2 мВ выросло до 2В). И получите смещение в чистом виде и во всей его красе. А Вы все равно придумываете какие-то свои обходные пути.

[Tanya]

Вам ведь уже говорили - подайте условный ноль на вход. То есть, оба входа подключите к некой точке, смещенной от земли вверх

Напомню - через одинаковые резисторы.