Что такое постоянный смещение?

Смещение постоянного тока — это нежелательная составляющая постоянного тока, которая появляется в датчиках или электронных устройствах. Без входного сигнала на выходе наблюдается определенное напряжение постоянного тока, что приводит к наложению смещения постоянного тока на выходной сигнал при подаче входного сигнала. Это смещение постоянного тока может вызвать искажение сигнала, ошибки данных и ухудшение производительности системы. Поэтому необходимо принять соответствующие корректирующие меры.

Смещение постоянного тока может быть вызвано различными факторами, такими как проблемы с цепью, неисправности системы или внешние источники. В аналоговых аудиосистемах смещение постоянного тока может происходить из различных источников, включая отказ конденсатора, дисбаланс проводки или неправильную конструкцию усилителя. В цифровых аудиосистемах смещение постоянного тока может быть вызвано ошибкой квантования, цепями смещения или неправильным заземлением. Частая причина смещения постоянного тока — цепи усилителя.

В идеальных условиях, если напряжения на обоих входных клеммах операционного усилителя точно одинаковы, выходной сигнал должен быть равен 0 В. На практике для принудительного обнуления выходного сигнала на вход также необходимо подать небольшое дифференциальное напряжение. Это напряжение называется входным смещением напряжения VOS. Входное смещение напряжения можно рассматривать как источник напряжения VOS, как показано на рисунке 1-1.

Рисунок 1-1 Входное смещение напряжения

Если в конструкции присутствует схема дифференциального усилителя, исходный сигнал несет то же напряжение постоянного тока. Дифференциальный усилитель отфильтровывает синфазную составляющую и усиливает дифференциальный сигнал. Однако на выходе все еще может присутствовать некоторое напряжение синфазного режима. Это происходит в первую очередь потому, что операционный усилитель не может полностью отфильтровать синфазную составляющую. Он обладает параметром, называемым коэффициентом подавления синфазного режима (CMRR), который позволяет оценить способность усилителя подавлять напряжения синфазного режима. Как правило, чем выше CMRR, тем лучше эффект подавления, как показано на схеме синфазного режима на рисунке 1-2.

Фактические операционные усилители имеют множество параметров, таких как входное смещение напряжения и коэффициент подавления синфазного сигнала, среди прочих. Все эти факторы могут вызывать смещение постоянного тока. Фактические параметры операционного усилителя OPA277 показаны на рисунках 2-1 и 2-2.

Рисунок 2-1 Напряжение смещения входа

Рисунок 2-2 Коэффициент подавления синфазного сигнала

Как устранить смещение постоянного тока

В практических приложениях существует множество методов устранения постоянного смещения, обеспечивающих более стабильный сигнал вблизи нуля. Например:

●Метод опорного напряжения: путем добавления регулируемого опорного напряжения и наложения его на сигнал достигается компенсация смещения постоянного тока.

●Метод цифровой фильтрации: Разработка алгоритмов фильтрации для устранения или подавления постоянной составляющей в сигналах.

●Метод изоляции постоянного тока: отделяет постоянные компоненты от сигнала с помощью таких компонентов, как соединительные конденсаторы или трансформаторы, для коррекции смещения постоянного тока.

При проектировании с использованием одного операционного усилителя часто резервируются два вывода смещения. Их можно настроить вручную с помощью внешнего переменного резистора, чтобы симметрично выровнять два входных вывода усилителя, тем самым достигнув нулевого смещения.

В проектировании для устранения постоянного смещения часто используется метод опорного напряжения. Это связано с тем, что методы цифровой фильтрации могут фактически влиять на полосу пропускания сигнала, что сказывается на тестировании исходного сигнала. Между тем, частотная характеристика при использовании соединительных конденсаторов зависит от значения емкости, что может привести к затуханию низкочастотных сигналов.

При использовании функции переменного тока осциллографа для удаления постоянных компонентов это достигается в основном путем вставки конденсатора связи перед усилителем в канале осциллографа, который функционирует как фильтр высоких частот. Отклик переменного тока осциллографа является откликом первого порядка, что означает, что амплитудно-частотный и фазово-частотный отклики подвержены влиянию в широкой полосе пропускания вблизи частоты среза. Это может привести к искажению при наблюдении сигналов со сложными частотными компонентами.

Частота среза для AC-соединения в стандартных осциллографах обычно ниже 10 Гц, как правило, около 5 Гц. На рисунке 2-3 показана кривая амплитудно-частотной характеристики идеального RC-фильтра первого порядка. Если частота сигнала слишком низкая, произойдет затухание.