Глава 11. Функциональные устройства на операционных усилителях (стр. 4 )

Пример 11.6. Какое предельное значение номинального коэффициента усиления можно получить в схеме рис. 11.5,а, если преобразовать ее в схему рис. 11.25, а?

Решение. 1. Включение в схему конденсатора снижает коэффициент до единицы, так как в этом случае двухполюсник , включающий конденсатор , на постоянном токе представляет разомкнутую цепь, в результате чего .

; .

2. Для переменного тока , в результате чего ограничений на диапазон возможных значений коэффициента усиления сигнала со стороны напряжения не наблюдается.

Уровень низкочастотных или переходных Δ искажений может быть оценен по приводимым ранее соотношениям с подстановкой в них постоянных времени соответствующих разде­лительных цепей. При рассмотрении этих искажений в схеме рис. 11.25, а возможно применение двух подходов, один из кото­рых связан с усилением сигнала , а другой - сигнала . Уро­вень частотных искажений при первом преобразовании определя­ет постоянная времени , а второго - . В схеме рис. 11.25,б уровень низкочастотных и переходных ис­кажений определяет одна постоянная времени , а в схе­ме рис. 11.25, в - две. В роли одной из них выступает постоянная времени или , а в роли второй - постоянная времени .

При вычислении коэффициентов передачи для различных, в том числе и приведенных на рис. 11.25, схем необходимо учи­тывать следующее:

напряжение является постоянным, поэтому при анализе его влияния на работу схемы все ее ветви, содержащие разделительные конденсаторы, могут рассматриваться как цепи с беско­нечно большим сопротивлением и из рассмотрения исключаться;

считается, что напряжение приложено к неинвертирую­щему входу ОУ (см. рис. 11.1). Поэтому коэффициент передачи для всех схемных построений на ОУ следует рассматривать как коэффициент передачи относительно неинвертирующего входа даже в случаях, когда передача сигнального напряжения осу­ществляется по схеме инвертирующего включения.

Из сказанного следует, что для всех приведенных на рис. 11.25 схем коэффициент передачи , т. е. независимо от значения коэффициента усиления сигнального напряжения . В схеме усилителя постоянного тока практически всегда коэффициент усиления не ниже коэффициента передачи . Так, для схемы рис. 11.5, а , а , где - сопротивление источника сигнала.

В схемах рис. 11.25, а и б неинвертирующие входы ОУ подсоединены к точке нулевого потенциала через резисторы . Зна­чение сопротивления этого резистора выбрано из условия , выполнение которого согласно приведенному в § 11.1 рассмотре­нию способствует снижению величины и соответственно на­пряжения .

11.15. АКТИВНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И АМПЛИТУДНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

НА БАЗЕ ОУ

Под выпрямлением аналогового сигнала понимается нелиней­ная операция над ним, при которой все его текущие значения на выходе схемы выпрямления при одной из его полярностей вос­производятся неискаженно, а при другой - не воспроизводятся вообще, т. е. отсекаются. Передаточная характеристика идеальной схемы выпрямления приведена на рис. 11.26, а. В этой схеме при любых положительных входных потенциалах дифференци­альный коэффициент передачи имеет ненулевое и постоянное значения и равен нулю - при отрицательных (рис. 11.26,б). В идеальной схеме выпрямления область перехода от состояния передачи сигнала () имеет бесконечно малую протяжен­ность и приходится на начало координат СПХ (рис. 11.26, а). В результате этого с помощью такой схемы можно осуществлять операцию эффективного и неискаженного выпрямления сигналов любого уровня, в том числе и сигналов очень малой интенсивности.

Реальные схемы выпрямления указанными свойствами не об­ладают. Они способны эффективно выпрямлять лишь сигналы от­носительно большого уровня. Связано это с тем, что в реальных схемах выпрямления область перехода от состояния к со­стоянию имеет вид плавно изменяющейся функции. Так, для диодных структур, организованных на базе кремния или германия, даже в условиях создания в них дополнительных начальных токов протяженность переходной области по оси входных сигналов составляет десятки и даже сотни милливольт. Только при значениях сигнальных напряжений, существенно больших протяженности этой переходной области, можно пренебречь плавностью перехода, представив передаточную функцию в виде рис. 11.26, a.

Свойствами эффективного выпрямления сигналов малого уров­ня обладают схемы, организованные на основе ОУ. Такие схемы можно назвать активными выпрямителями. Схема простейшего активного выпрямителя приведена на рис. 11.27. Рассмотрим ее работу.

При положительных значениях входного сигнала, т. е. когда , напряжение на выходе ОУ (в точке б схемы) также положительно, в результате чего диод VD1 открыт, его динамическое сопротивление относительно мало, поэтому в схеме действует глубокая ООС. В этих условиях потенциал точки а следит за входным сигналом. При этом выполняются соотношения , . Из этого следует, что , т. е. коэффициент передачи рассматривае­мой схемы для положительных значений входного сигнала в ус­ловиях действия глубокой ООС не зависит от уровня сигнала, при этом .

При отрицательных значениях входного сигнала, т. е. когда , напряжение на выходе схемы практически рав­но нулю. Объясняется это тем, что в этих условиях диод VD1 за­крыт отрицательным потенциалом, поступающим с выхода ОУ. Динамическое сопротивление закрытого диода велико, в результате чего ОС и эффект слежения в схеме отсутствуют так же, как и прямое прохождение сигнала с выхода ОУ на выход схемы в целом. Последнее объясняется тем, что при закрытом диоде выполняется условие , где - динамическое сопротивление обратносмещенного р-п-перехода; - ток насыщения обратносмещенного р-п-перехода. К достоинствам рассматриваемой схемы следует отнести ее высокое входное сопротивление. К недостаткам - наличие состояния насыщения, в котором обычно находится ау при отрицательных значениях входного сигнала. Выход из состояния насыщения инерционен. Вследствие этого

быстродействие (широкополосность) схемы оказывается заниженным.

На рис. 11.28 приведена схема активного выпрямителя, лишенная указанного недостатка. Схема организована на базе инвертирующего включения ОУ (см. рис. 11.5, а). В ней ООС действует как при положительных, так и при отрицательных значения входного сигнала .

При положительных значениях этого сигнала, т. е. когда , цепь ОС замыкается через прямосмещенный диод VD1. При этом входной ток протекает через резистор R2. В условиях действия глубокой ООС потенциал , в результате этого . Из последнего следует, что в рассматриваемых условиях коэффициент передачи схемы не зависит от уровня сигнала и равен .

При отрицательных значениях входного сигнала, т. е. когда , напряжение на выходе схемы практически равно нулю. Объясняется это тем, что левый по схеме рис. 11.28 вывод резистора R2 подсоединен к точке нулевого потенциала, а диод VD1 закрыт отрицательным потенциалом, поступающим с выхода ОУ. Динамическое сопротивление закрытого диода вели­ко. В результате чего прямое про хождение сигнала с выхода ОУ на выход схемы в целом практически отсутствует.

Проведенное выше рассмотрение процесса работы схем актив­ных выпрямителей показывает, что они обеспечивают работу схе­мы, близкую к идеальной в условиях, когда в схеме при положительных значениях входного сигнала выполняется условие действия глубокой ООС, т. е. условие , где Т - петлевая передача в цепи ОС. Обычно для хорошей работы схемы активного выпрямителя достаточно обеспечить значения . В рассматривае­мых схемах

, (11.41)

где ; - ток, протекающий через диод; - дифференциальный коэффициент передачи ОУ.

При малых значениях входного сигнала ток становится малым, в результате чего сопротивление диода начинает играть главную роль в общем последовательном сопротивлении , а само значение Т приобретает существенную зависимость от уровня сигнала . При этом, когда , выполняет­ся условие . Из последнего соотношения следует, что в рассматриваемых схемах активного выпрямления одно из основных условий их идеальной работы () выполняется при значениях входного сигнала, удовлетворяющих условию , где измеряется в вольтах.

Коэффициенты усиления типовых ОУ имеют значения, превышающие . Следовательно, при отсутствии воздействия каких-либо дополнительных мешающих факторов рассмотренные схемы выпрямления способны обеспечить выпрямление сигналов, близкое к идеальному, при их значениях, приближающихся к сотням микровольт.

К основному фактору, мешающему успешному выпрямлению сигналов столь низкого уровня, следует отнести возможное ненулевое значение напряжения статической ошибки. При происходит сдвиг нулевой точки графика рис. 11.26, а по оси напряжений на значение . При этом в схеме рис. 11.28 даже при отсутствии сигнала на ее входе через резисторы R1, R2 протекает постоянный начальный ток , а на выходе схемы присутствует паразитное постоянное напряжение .

Рассмотренные активные выпрямители могут быть преобразо­ваны в высокочувствительные схемы детектирования амплитудно-модулированных радиочастотных сигналов за счет включения в них дополнительных фильтрующих цепей и конденсаторов. С помощью этих цепей и конденсаторов осуществляют как фильтра­цию, так и усреднение выпрямленного напряжения за период несущей детектируемого колебания. Таким образом, организованная схема (схема амплитудного детектора) вырабатывает на своем выходе медленно изменяющиеся сигналы, пропорциональные те­кущим значениям средневыпрямленного радиочастотного напря­жения.

Но возможности широкого применения таких схем детектиро­вания ограничены вследствие относительной узкополосности су­ществующих ОУ. По указанным причинам активные амплитудные детекторы рассмотренного вида находят применение лишь при детектировании радиочастотных сигналов с относительно невысокими значениями несущей частоты.

Указанного недостатки лишена схема высокочувствительного амплитудного детектора, изображенная на рис. 11.29. Схема включает два функциональных звена, в качестве одного из которых выступает типовой однополупериодный диодный детектор, собранный на диоде VD1, а в качестве второго - нелинейное корректирующее звено, организованное как неинвертирующий масштабный усилитель с нелинейной ОС. В основной рабочей области коррек­тирующего звена (при ) его корректирующие свойства определяет нелинейная ООС, осуществляемая через диод VD2. Диод VD2 предотвращает возможность появления на выходе ОУ боль­шого положительного напряжения. Анализ передаточных свойства детектора (хода его детекторной характеристики) и корректирующего звена показывает, что эти свойства выражаются взаимообратными функциями, в результате чего передаточные схемы в целом остаются неизменными в широком диапазоне значений детектируемых сигналов, при этом общий коэффициент передачи (ко­эффициент преобразования амплитудного значения входного сиг­нала в напряжение ) приблизительно равен единице при использовании на входе последовательного диодного детектора и 0.3 - параллельного.

11.16. КОМПАРАТОРЫ СИГНАЛОВ

Компараторами (от английского слова comparison - сравнение) называют устройства, выполняющие функцию сравнения двух сиг­налов. С их помощью фиксируются моменты равенства сравнивае­мых сигналов. Компараторы находят широкое применение в си­стемах преобразования аналоговых сигналов в цифровые, в клю­чевых регуляторах и стабилизаторах напряжения, в пороговых устройствах и в ряде других схем, где требуется определять моменты равенства двух сигналов. В идеальном компараторе его выходное напряжение может принимать только два значения, одно из которых соответствует уровню лог. 1 , а другое - лог. 0 , при этом работа компаратора осуществляется в соответствии со следующими правилами:

если , т. е. , то ;

если , т. е. , то ;

если , т. е. , то компаратор нахо­дится в так называемом состоянии переключения, где ­ - сравниваемые сигналы.

Сквозная передаточная характеристика устройства, работа которого отвечает указанным правилам, приведена на рис. 11.30 (эпюра 1).

Наиболее часто в схемах компараторов в качестве их основно­го функционального звена используют ОУ без цепи ООС. При таком построении схемы он обладает высоким значением коэффи­циента усиления относительно напряжения . Вследствие этого его СПХ подобна характеристике идеального компаратора, за исключением области, относящейся к малым значениям напряжения (эпюра 2 на рис. 11.30), когда . В этой области компаратор работает в линейном (усилительном) режиме, в результате чего состоянию переключения компаратора на ОУ соответствует целая область значений разностного напряжения протяженностью . Учитывая, что реальные ОУ обладают очень высоким значением , рассмотренным отличием СПХ компаратора на ОУ от СПХ идеального компаратора обыч­но пренебрегают. Более существенным источником отличия рабо­ты схемы компаратора на ОУ от желаемой является ненулевое значение напряжения , сдвигающее точку переключения компаратора относительно нуля на величину этого напряжения ошибки (эпюра 3 на рис. 11.30).

На рис. 11.31 приведены схемы так называемых одновходовых компараторов на ОУ, при этом схема рис. 11.31, а соответствует неинвертирующему варианту, а схема рис. 11.31, б - инвертирующему. В этих схемах переключение в компараторах (состояние­ ) будет при условии, когда , а при - когда (если сравниваемые напряжения равны по величине и противоположны по знаку). Из приведенных для схем рис. 11.31 соотношений следует, что они способны осуществлять сравнение лишь разнополярных сигналов. Для защиты ОУ от возможного непосредственного воздействия сигналов боль­шого уровня параллельно его входным зажимам иногда включают два диода, которые совместно с резисторами R1, R2 образуют простейший амплитудный ограничитель.

Свойством сравнения сигналов любой полярности обладает схема компаратора рис. 11.31, в, в которой сравниваемые сигналы поступают на разные входы ОУ. На рис. 11.32 приведены эпюры, отвечающие частным случаям применения этой схемы в некоторых типовых устройствах принятия решения, а именно: в устройстве сравнения двух переменных сигналов (рис. 11.32, а), в пороговом устройстве (рис. 11.32, б) и в нуль-органе или детекторе нулевого уровня (рис. 11.32, в).

В ряде случаев в схему компаратора на ОУ вводят цепь ПОС. Пример схемы такого типа приведен на рис. 11.33, а. Она организована на основе одновходового инвертирующего компаратора (рис. 11.31, б), используемого в качестве нуль-органа. Введение в схему компаратора ПОС способствует ускорению процесса пере­ключения, повышает помехоустойчивость компаратора, под кото­рой понимается его нечувствительность к внешним помехам и случайным воздействиям (в том числе и к воздействию собственного шумового напряжения). Но такая ОС смещает на СПХ по­ложение точки переключения на величину , делает зависимым положения этой точки от предшествующего состояния компаратора. Вследствие последних обстоятельств компараторы с ПОС иногда называют компараторами с защелкиванием или компараторами с регенерацией. В компараторе-защелке для его возвращения после переключения в исходное со­стояние требуется дополнительное различие в сравниваемых сигналах, равное , что делает СПХ компаратора подобной петле гистерезиса (рис. 11.33, б). Эпюры сигнальных напряжений для компаратора такого типа приведены на рис. 11.33, б.

Для характеристики свойств компараторов помимо типовых для ОУ параметров используется ряд специфических. К таким специфическим параметрам прежде всего относится время задержки переключения - время от момента подачи на вход компаратора испытательного перепада напряжения до момента, когда выходное напряжение компаратора в процессе своего установления достигнет определенного уровня (обычно 50%) по отношению к своему установившемуся значению.

В компараторах могут быть использованы как типовые ОУ, так и ОУ специальной разработки. Последние имеют по сравнению с первыми ряд особенностей в схемном построении. Для повышения быстродействия в специализированных ОУ-компараторах реализованы мероприятия по предотвращению глубокого насыщения транзисторов, ускоренному их выходу из состояния насыщения. Обычно реализация этих мер достигается за счет шунтирования переходов коллектор-база обратносмещенными (при отсутствии насыщения) диодами Шотки. Эти диоды имеют напряжение открывания (порядка 0,3 В) существенно меньшее, чем напряжение открывания (порядка 0,7 В) в типовом кремниевом транзисторе. В результате этого базоколлекторный переход транзистора оказывается практически закрытым даже при относительно больших сигнальных напряжениях.

Особую группу составляют так называемые стробируемые компараторы. Это компараторы, которые осуществляют сравнение сигналов в моменты прихода фронта специального управляющего (стробирующего) импульса. При этом результат сравнения оста­ется неизменным (запоминается) до момента прихода фронта сле­дующего стробирующего импульса.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какое устройство называют операционным усилителем и какими свойствами он должен обладать в идеальном случае?

2. Какова сущность параметра и почему для снижения его значения ста­раются выполнить условие ?

3. Почему операционный усилитель в устройствах усиления применяется только в условиях действия глубокой ООС на постоянном токе?

4. Какие принципы закладываются при организации схем обработки сигналов на ОУ?

5. Почему и при выполнении какого условия в схеме масштабного усилителя передаточные свойства практически не зависят от коэффициента усиления самого операционного усилителя?

6. Назовете три основных способа включения ОУ в схему обработки.

7. В чем состоит сущность двух основных положений методики приближенно­го анализа свойств схем на ОУ? Каковы границы применимости этой методики?

8. Объясните, почему соотношение в условиях выполняется даже тогда, когда входное сопротивление ОУ имеет небольшое значение?

9. Почему в схеме рис. 11.5, в значение входного тока зависит от напря­жения ?

10. Почему при организации схем дифференциальных усилителей на OУ предъявляют повышенные требования к определенности значений сопротивлений резисторов?

11. Почему в схемах преобразования ток-напряжение особое внимание об­ращают на обеспечение малого значения входного сопротивления?

12. Почему в сумматоре напряжения (см. рис. 11.13) отсутствует влияние ис­точников друг на друга, а значения весовых коэффициентов α не зависят от значения, входного сопротивления ОУ?

13. Почему схемное построение рис. 11.17, а называется схемой прямого функционального преобразования, а рис. 11.17, б - обратного, а не наоборот?

14. Почему как при малых, так и при больших значениях сигнального напряжения схема рис. 11.18, б не только не выполняет функцию линейного преобразования, но и теряет нелинейные свойства?

15. Почему, несмотря на частотно-независимый характер ОС, схема масштаб­ного усилителя имеет спад АЧХ в области частот?

16. Почему масштабный усилитель имеет большую склонность к самовозбуж­дению и неустойчивой работе при меньших значениях номинального коэффициен­та усиления, чем при больших?

17. Какой критерий используется при оценках устойчивости широкополосных усилительных трактов на ОУ?

18. С какой целью осуществляется частотно-фазовая коррекция ОУ и каким образом она реализуется?

19. Какими достоинствами и недостатками обладают методы коррекция, ос­нованные на уменьшении частоты ?

20. Какое обстоятельство накладывает ограничения на возможности созда­ния УПТ с большими коэффициентами усиления?

21. С какой целью в состав усилительных схем рис. 11.25 введены раздели­тельные конденсаторы?

22. Какой вид имеет СПХ устройства, называемого идеальным выпрями­телем?

23. Как работает схема активного выпрямителя и какие ограничения имеет область его возможного применения?

24. Каковы назначения и принципы построения и работы устройства, называе­мого компаратором?