Предисловие (стр. 13 )

2. Неинвертирующий масштабный усилитель (рис. 2.17).

Так как Du = 0, то ,

.

Коэффициент усиления напряжения также определяется соотношением сопротивлений резисторов R1 и R2. Кроме того, полярность выходного напряжения совпадает с полярностью входного (отсюда название усилителя).

Отличительная особенность неинвертирующего масштабного усилителя – высокое входное сопротивление: Rвх = Rвх0(1 + Kуu / KU).

Если на инвертирующий вход подать полностью все напряжение uвых, что соответствует R2 = 0, то получится повторитель напряжения (KU = 1). Его применяют тогда, когда требуется получить высокое входное сопротивление и/или минимальное выходное, т. е. как эмиттерный повторитель. Если включить конденсатор вместо резистора R2 (рис 2.18,б), то получится интегрирующий усилитель, а вместо резистора R1 – дифференцирующий усилитель.

Пример 1. Для типовой схемы включения операционного усилителя в масштабном преобразователе (рис.2.18,а) определить сопротивление резисторов R1,R2 и R3, если Ku = 100 и Rн = 10 кОм, Rвх = 50 кОм, Rвых = 1 кОм, Rг = 100 Ом.

Рис 2.18. Схемы включения операционных усилителей: а – в масштабном

преобразователе, б – в интегрирующем каскаде, в – графики входного

и выходного сигналов

Р е ш е н и е. Для получения высокой стабильности коэффициента усиления сопротивление R1 выбирают из условия Rг << R1 << Rвх, поэтому

R1 = 2 кОм. При R2 >> Rвых коэффициент усиления определяется по формуле Ku = R2/R1. , поэтому R2 = 100∙2 = 200 кОм. Эквивалентное сопротивление нагрузки усилителя R'н ≈ Rн R2/(Rн + R2) должно быть больше Rвых. В нашем случае R'н = 9,5 кОм >> Rвых Для симметричного ОУ необходимо, чтобы

Пример 2. На вход интегрирующего каскада, схема которого приведена на рисунке 2.18, б, подаётся напряжение uвх(t) (кривая 1 на рисунке 2.18,в) от источника с внутренним сопротивлением Rг = 1 кОм. Рассчитать сопротивления R1 и R2 и ёмкость конденсатора С. Найти зависимость uвых(t). Входное сопротивление усилителя Rвх = 50 кОм.

Р е ш е н и е. Для того, чтобы постоянная времени интегрирующего каскада мало зависела от сопротивления Rг источника сигнала uвх(t), необходимо выполнение условия R1 >> Rг, т. е. R1 >> 1 кОм. Работа усилителя будет устойчивой, если R2 << Rвх, т. е. R2 << 50 кОм, но для баланса каскадов усилителя по постоянному току требуется, чтобы R1 = R2. поэтому выбираем R1 = R2 = 20 кОм. Период напряжения uвых(t) составляет 0,01 с. Для уменьшения погрешности интегрирования нужно, чтобы τ >>T. Выбираем τ = 1,0 с.

Тогда С = τ/ R1 = 1/20000 =50∙10-6 Ф=50 мкФ. Зависимость uвых(t)= uвх dt при uвх(0) = 0 изображена на рис. 2.18, в, (кривая 2). Наибольшее напряжение uвых(Т/2) =TUвх m/2τ =50 мВ.

2.2 Генераторы сигналов

Генератор сигналов (ГС) – электронное устройство, формирующее периодически изменяющееся напряжение заданной амплитуды, частоты и формы.

Если ГС работает без приложения дополнительного периодического сигнала, то его называют автогенератором, в противном случае – ГС с независимым возбуждением. Последний представляет собой избирательный усилитель мощности, на вход которого подается сигнал от маломощного автогенератора (например, генератор кадровой развертки мониторов и телевизоров).

По форме генерируемых колебаний ГС делят на генераторы синусоидальных колебаний (ГСН) и генераторы сигналов специальной формы (ГССФ).

2.2.1. Генератор синусоидальных колебаний

Структура ГСН показана на рис. 2.19. Он состоит из усилителя с коэффициентом усиления k (комплексное число) и цепи положительной обратной связи (ПОС) с коэффициентом обратной связи b. Тогда для усилителя и цепи ПОС можно записать .Следовательно, . Полученное равенство справедливо при условии kb = 1, выполнение которого обеспечит возникновение в автогенераторе незатухающих колебаний.

Так как k = ke ­­jj, b = be jy, ke ­­jjbe jy = 1, то получаем необходимость выполнения двух условий:

- kb = 1 – баланса амплитуд;

- j + y = 0 – баланса фаз.

Условие баланса фаз подразумевает наличие положительной ОС.

Условие баланса амплитуд соответствуют факту восполнения потерь энергией источника питания. Обычно значения k и b выбирают так, чтобы kb ³ 1. При этом благодаря нелинейности характеристик усилителя (коэффициент усиления k падает с ростом входного напряжения) при больших входных сигналах происходит быстрое самоустановление амплитуды колебаний.

Коэффициенты k и b зависят от частоты. Любой усилитель, охваченный ПОС, может превратиться в автогенератор (ПОС может являться акустическая связь динамическая головка – микрофон, многие знают о появлении свиста при их сближении). Если условия выполняются только для одной частоты, то возникают гармонические колебания.

ГСН можно выполнить на УК ОЭ, в коллекторной цепи которого включен колебательный LC-контур, а каскад охвачен трансформаторной ПОС. Однако для получения низкочастотных колебаний (менее 50 кГц) применение LC-генераторов нецелесообразно из-за больших величин (следовательно, размеров) индуктивностей и емкостей колебательного контура, поэтому применяют RC-генераторы. Они при прочих равных условиях по сравнению с LC-генераторами имеют меньшие габариты, массу и стоимость.

Частотно-зависимыми четырехполюсниками, используемыми в RC-генераторах, являются Г-образные RC-цепи, мост Вина (двойная Г-образная цепь), Т-образные и двойные Т-образные мосты.

Мост Вина (рис. 2.20) является избирательным фильтром, настроенным на квазирезонансную циклическую частоту wр = 1/(RC). Амплитудно-частотная β ( f ) и фазо-частотная j ( f ) характеристики моста Вина представлены на рис. 2.20. Из них следует, что на квазирезонансной частоте fр коэффициент передачи становится вещественным и достигает максимума b0 = 1/3, а сдвиг фазы y0 = 0. Поэтому усилитель не должен быть фазовращателем для соблюдения баланса фаз и должен обладать на частоте fр коэффициентом усиления напряжения KU³3. Низкий KU позволяет охватить усилитель на ОУ, кроме ПОС, глубокой ООС, что улучшает параметры автогенератора.

В простом RC-генераторе на ОУ (рис. 2.21) резисторы одинакового сопротивления R1, R2 и конденсаторы одинаковой емкости С1 и С2 включены в цепь ПОС и образуют мост Вина. ОУ и резисторы R3, R4 являются неинвертирующим усилителем с коэффициентов усиления KU = 1 + R4/R3. С помощью подстроечного резистора R4 добиваются минимальных искажений гармонических колебаний. Часто в цепь ООС (вместо R3) включают схему автоматической регулировки усиления (АРУ), что позволяет автоматически получать синусоидальные колебания почти идеальной формы.

Для регулирования частоты генератора можно в качестве R1, R2 и/или C1, C2 включить механически сопряженные переменные резисторы и/или конденсаторы.

Существенным недостатком LC- и RC-генераторов является невысокая стабильность частоты генерируемого напряжения. Связано это, в первую очередь, с относительно высокой зависимостью индуктивности катушек и емкости конденсаторов от температуры. Принятие ряда мер позволяет достичь относительной нестабильности частоты Df / f =10–4…10–5. Однако наиболее эффективным способом стабилизации частоты генератора является кварцевая стабилизация, когда в качестве колебательной системы используется кварцевый резонатор или просто кварц. Этим достигается относительная нестабильность частоты до 10–10.