Аналоговая схемотехника (стр. 3 )

Рисунок 1.16, б – Неинвертирующий усилитель на ОУ

При RОС = 0 и R1 = ¥, эта схема является повторителем напряжения: КU = 1, рисунок 1.17. Его входное сопротивление очень велико.

Рисунок 1.17 – Повторитель напряжения

Инвертирующий сумматор. Его схема приведена на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 – Инвертирующий сумматор

При IВХОУ = 0 (так как RВХОУ = ¥), UВЫХ = – [(RОС/R1)U1 + (RОС/R2)U2 +… + (RОС/Rn)Un]. Обычно выбирают значения RОС = R1 = R2. Также можно построить и неинвертирующий сумматор.

Интегратор. Схема также является фильтром нижних частот, рисунок 1.19.

Рисунок 1.19 – Интегратор

Для ОУ имеем: Uy = 0; iC = iR или ; тогда

, (1.16)

где – выходное напряжение при t = 0; RC = t – постоянная времени.

Выходные сигналы интегратора показаны на рисунке 1.20. При = 0 в момент t0 = 0, поэтому:

; (1.17)

tРАЗР=С(R + RВЫХ(ОУ)). (1.18)

Рисунок 1.20 – Выходные сигналы интегратора

Дифференциатор. Используется для выполнения операций дифференцирования и является также фильтром верхних частот, рисунок 1.21.

Рисунок 1.21 – Дифференциатор

Его выходной сигнал определяется по формуле: . (1.19)

1.4 Усилители с обратной связью

Введение обратной связи придает усилителю специфические свойства. Она осуществляется подачей на вход усилителя сигнала с его собственного выхода через цепь обратной связи, рисунок 1.22. Звено ОС характеризуется коэффициентом передачи . Комплексность означает возможность фазового сдвига между входным и выходным сигналами усилителя из-за реактивностей как в усилителе, так и в ОС. Вид ОС определяется:

– по параметру выходного сигнала (напряжению или току), используемому для создания ОС. Это ОС по напряжению или по току;

– способу подачи ОС на вход усилителя. Последовательная ОС – сигнал ОС подается на вход усилителя последовательно с входным сигналом; параллельная – когда сигнал ОС подается на вход усилителя параллельно с входным сигналом.

Рисунок 1.22 – Усилитель с обратной связью

Функциональные схемы усилителей с основными видами ОС приведены на рисунке 1.23.

а) ОС по напряжению последовательная

б) ОС по току последовательная

в) ОС по напряжению параллельная

Рисунок 1.23 – Виды обратной связи

Воздействие ОС может привести или к увеличению, или к уменьшению результирующего сигнала на входе усилителя. Первый случай – это положительная обратная связь (ПОС), второй случай – отрицательная обратная связь (ООС).

Усилители с ПОС применяется в генераторах, а ООС в усилителях изменяет его параметры. Известно, что коэффициент усиления усилителя с ОС определяется выражением KU(ОС) = К/(1 – Кæ).

– Если 1> Кæ >0, то КU(ОС)> К – это условие ПОС, когда напряжение обратной связи подается на вход усилителя в фазе с входным сигналом: UУ = UВХ + UОС.

– Когда Kæ ³ 1 – это ПОС и является условием возбуждения усилителя.

– При Кæ < 0 величина КU(ОС)­ < К – это ООС. Напряжение обратной связи подается на вход усилителя в противофазе с входным сигналом: UУ = UВХ – UОС;

Свойства ООС: увеличивается стабильность коэффициента усиления; нестабильность значения КU(ОС уменьшается в (1 + Кæ) раз. То есть KU(ОС) » 1/æ. Это свойство используется для стабилизации режима работы активного элемента, для расширения АЧХ, уменьшения нелинейных искажений. Входное сопротивление усилителя возрастает: RВХ(ООС) = RВХ(1 + Кæ). Выходное сопротивление усилителя уменьшается: RВЫХ(ООС) = RВЫХ(1 + Кæ). Последние свойства характерны для каскада с ОК (ОИ или повторителя напряжения), называемого эмиттерным повторителем.

Вопросы для самотестирования

1 Приведите определение усилителя и укажите его основные параметры.

2 Укажите возможные варианты подачи сигнала на дифференциальный каскад.

3 Приведите схему инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя и формулы, определяющие его основные параметры.

4 Когда возможно возбуждение (генерация) в усилителе?

1.5 Генераторы гармонических сигналов

Генераторы сигналов можно разделить на генераторы гармонических сигналов и релаксационные генераторы. Всякий генератор можно представить приведённой далее обобщённой функциональной схемой, рисунок 1.24.

Рисунок 1.24 – Обобщённая функциональная схема генератора

Процесс возбуждения характеризуется граничным условием, связанным с сопротивлением потерь: rП = 0 или Q = µ. Незатухающие колебания возникают и при rП < 0 (при этом условии wК ¹ w0). Наличие отрицательного сопротивления создаёт не гармонический, а релаксационный сигнал. Условие rП < 0 обеспечивает электрическая схема.

Гармонические и релаксационные колебания – крайние случаи автоколебаний. Частота гармонических колебаний и амплитуда релаксационных колебаний малочувствительны к внешним воздействиям. А изменение частоты гармонических колебаний сопровождается изменением их амплитуды. Частота релаксационных колебаний сильно зависит от внешних воздействий.

Резонансная система в полосе частот от f1 до f2 имеет отрицательное сопротивление, которое является необходимым условием для возбуждения генератора. Относительная нестабильность частоты автогенератора определяется по формуле . При Q>100 можно считать: df » a0,5/Q (a – коэффициент, определяемый параметрами резонансной системы). То есть высокодобротные резонаторы уменьшают нестабильность частоты генератора. Примером генераторов гармонических колебаний могут служить базовые схемы, построенные на операционных усилителях.

Генератор с Г-образным фильтром в цепи обратной связи, рисунок 1.25.

Частота генерации определяется частотно-зависимой обратной связью и равна значению частоты, при котором вносимый фазовый сдвиг равен 180О. Так как коэффициент передачи цепи обратной связи равен , то инвертирующий усилитель на операционном усилителе должен компенсировать эти потери. Его коэффициент усиления не должен быть менее 29: ROC/R0 ³ 29.

На практике часто делают выбор: R1 = R2 = R3||R0 = R ; а также, C1 = C2 = C3 = C. При этом частота генерации определяется выражением .

Генератор с мостом Вина. Мост Вина применяется в цепи обратной связи, и вносимый им фазовый сдвиг на частоте генерации равен нулю, рисунок 1.26. Так как неинвертирующий усилитель на ОУ не инвертирует входной сигнал, то в этой схеме имеется положительная ОС.

Рисунок 1.25 – Генератор с Г-образным фильтром в цепи обратной связи

Коэффициент передачи моста Вина на частоте генерации равен . Поэтому коэффициент усиления усилителя на ОУ должен быть не менее трёх: RОС/R0 ³ 2 . Частота генерации определяется номиналами элементов моста Вина:

(1.20)

Рисунок 1.26 – Генератор с мостом Вина

 Основной вариант широко используемых генераторов на биполярном транзисторе приведен на рисунке 1.27. Замена ёмкости в параллельном колебательном контуре на переменный конденсатор или варикапы позволяет превращать данный генератор в перестраиваемый по частоте генератор (вручную или электронно-управляемый). Генератор на рисунке 1.27 используется в широкой полосе частот (0,1¸500 МГц). Резистор отрицательной обратной связи Rэ1 уменьшает вес высших гармоник. Напряжение с выхода потенциометра Iк также может представлять собой регулирующее напряжение для стабилизации амплитуды выходного сигнала.

Рисунок 1.27 – Маломощный генератор на LC элементах

Рекомендуются следующие параметры схемы Xср » 100 Ом; Xс1 » Xс2 » 50 Ом; Lк = 1/(w2minCmax) = 1/(w2maxCmin); Xск £ Rн/10; XСбл £ 1 Ом; Xдр ³ 3 кОм; XLб ³ 2 кОм.

 1.6 Компаратор, триггер Шмита

Для преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов в импульсные сигналы, а также для сравнения величины изменяющегося сигнала с постоянным значением опорного сигнала используются функциональные узлы, называемые компараторами. Компаратор может сравнивать опорное напряжение UО с напряжением изменяющегося сигнала UC.

Компараторы часто строятся на основе операционных усилителей. Если значения входного сигнала превышают уровни, соответствующие линейной области амплитудной характеристики ОУ, то выходное напряжение ОУ равно одному из фиксированных значений – U+ВЫХ MAX или U-ВЫХ MAX. После ОУ может быть установлен преобразователь уровней напряжения – так осуществляется переход к уровням напряжения конкретного схемотехнического базиса дискретных интегральных схем. Принципиальная схема компаратора на ОУ приведена на рисунке 1.28.

Рисунок 1.28 – Компаратор на операционном усилителе

Входное и опорное напряжения подаются на входы компаратора симметрично. Входной сигнал ОУ определяется выражением UУС = UC – UO, и этот сигнал определяет передаточную характеристику компаратора. Если величины сигналов UC и UO не превышают значений допустимых входных напряжений ОУ, то эти сигналы могут подаваться на входы ОУ без резистивных делителей напряжения.

Если UC < UO, то UУС < 0 и UВЫХ = U+ВЫХMAX. Если UC > UO, то UУС > 0 и UВЫХ = U-ВЫХMAX. Так как коэффициент усиления ОУ очень велик, то переключение выходного состояния компаратора происходит при UУС » 0. При смене местами источников входных сигналов компаратора происходит инверсия его передаточной характеристики.

Если сигнальный сигнал на входе компаратора имеет шумовую составляющую, она многократно и случайным образом переключает выходной сигнал компаратора. В этом случае невозможно установить момент равенства сигнального и опорного напряжений на входе компаратора. При зашумлённом входном сигнале применяют триггер Шмита – компаратор, имеющий положительную обратную связь, вследствие которой его передаточная характеристика обладает петлей гистерезиса. Электрическая принципиальная схема триггера Шмита приведена на рисунке 1.29.

На рисунке 1.30 приведена передаточная характеристика триггера Шмита для положительного значения опорного напряжения.

Рисунок 1.29 – Триггер Шмита на ОУ

Эта характеристика имеет петлю гистерезиса, границы которой определены пороговыми напряжениями UОТП и UСР. Значения пороговых напряжений можно получить из выражений:

; ;

. (1.21–1.23)

Рисунок 1.30 – Передаточная характеристика триггера Шмита

 Чтобы на выходе триггера Шмита можно было получить максимальное выходное напряжение ОУ при изменении входного сигнала с некоторой частотой, необходимо оценить полосу максимальной мощности ОУ с помощью выражения, связывающего указанные параметры с максимальной скоростью изменения выходного напряжения ОУ:

. (1.24)

Погрешность компаратора Du входит в инструментальную погрешность устройства, в котором он используется. В инженерной практике часто применяют условие непревышения величиной Du среднеквадратичного значения погрешности квантования цифрового устройства, равной .

Важной характеристикой компаратора является его быстродействие. Из-за инерционности ОУ может быть неправильная реакция на его выходе при быстром изменении значения входного сигнала. Задержка Dtз появления сигнала на выходе относительного момента изменения сигнала на входе зависит от диапазона, в котором изменяется входной сигнал. Значение Dtз обычно нормируют при превышении входного сигнала над u0 = 100 мВ на 5 мВ. Так, для специальных ИС компараторов 554СА1, 521СА3(СА4) и 597СА1(СА2) Dtз равна 135 нс, 120 нс, 50 нс, 6,5 нс и 12 нс. Для компараторов на ОУ Dtз » 1 мкс.