Основы электронной техники (стр. 38 )

Например, если Roc = R1 = R2, то коэффициент усиления для обоих входов равен -5 кОм / 5 к0м = -1. Пусть V1 = 1 В и V2 = 2 В, тогда вклад в выходное напряжение, связанный с V1, составляет 1 · (-1) = -1 В, а вклад, связанный с V2, составляет 2 · (-1) = -2 В. Следовательно, полное выходное напряжение равно Vвых = -1 - 2 = -3 В.

Пример 1

На входы суммирующего ОУ, показанного на рис. 31.4, подаются напряжения V1 = 20 мВ и V2 = -10 мВ. Рассчитайте выходное напряжение Vвых.

Рис. 31.3. Суммирующий усилитель.

Рис. 31.4.

Решение

Выходное напряжение для V1 = -5/1 · 20 = -100 мВ.

Выходное напряжение для V2 = -5/5 · (-10) = +10 мВ.

Следовательно, полное выходное напряжение Vвых = -100 + 10 = -90 мВ.

Повторитель напряжения

В этом случае операционный усилитель охвачен 100%-ной отрицательной обратной связью (рис. 31.5) и имеет результирующий коэффициент уси­ления, равный 1. Заметим, что выходной и входной сигналы повторителя напряжения совпадают по фазе.

Напряжение смещения

При нулевом входном сигнале выходной сигнал идеального ОУ равен ну­лю. На практике это не так: отличный от нуля сигнал (ток или напря­жение) присутствует на выходе ОУ даже при нулевом входном сигнале. Чтобы добиться нулевого выходного сигнала при нулевом входном, на вход ОУ подается входной ток смещения или напряжение смещения та­кой величины и полярности, чтобы выходной сигнал, соответствующий входному сигналу смещения, компенсировал исходный мешающий выход­ной сигнал.

Входной ток смещения обычно устанавливается с помощью дополни­тельного резистора R2, подключаемого к неинвертирующему входу ОУ, как показано на рис. 31.6.

Рис. 31.5. Повторитель напряже­ния.

Рис. 31.6.

Оптимальное сопротивление этого резистора определяется по формуле

Обычно, если коэффициент усиления больше четырех, номиналы рези­сторов R2 и R1 выбирают одинаковыми. Введение резистора R2 не изме­няет коэффициент усиления инвертирующего усилителя, он по-прежнему остается равным -Roc/R1. Как мы увидим позже, в некоторых ИС преду­сматриваются выводы для установки нулевого напряжения на выходе ОУ.

Неинвертирующий усилитель

В этом случае входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, как показано на рис. 31.7.

Коэффициент усиления =

Рис. 31.7. Неинвертирующий усилитель.

Интегрирующий усилитель

На рис. 31.8 показано использование ОУ в качестве интегратора. В этом случае функцию элемента обратной связи выполняет конденсатор C1. При подаче перепада напряжения (ступеньки) на вход интегратора вы­ходной сигнал начинает нарастать от нулевого значения с постоянной скоростью и имеет полярность, противоположную полярности входного сигнала (рис. 31.9).

Рис. 31.8. Интегратор.

Скорость изменения выходного напряжения опреде­ляется постоянной времени C1R1 и величиной входного сигнала.

Скорость изменения выходного напряжения =

где V1 — входное напряжение. Отрицательный знак указывает на инвер­тирование сигнала.

Пример 2

Пусть C1 = 1 мкФ, R1 = 1 кОм и V1 = 3 В. Рассчитайте скорость изменения выходного напряжения.

Решение

Прежде чем рассчитывать скорость изменения выходного напряжения, полезно найти постоянную времени для данной схемы.

Постоянная времени = C1R1 = 1 · 10-6 · 1 · 103 = 10-3 с = 1 мс.

Скорость изменения выходного напряжения = = -3 В/1 мс = -3 В/мс. Это означает, что выходное напряжение будет изменяться на -3 В за каждую миллисекунду. Предположим, что конденсатор C1 полностью разря­жен перед подачей входного сигнала. Тогда через 0,5 мс выходное напряжение будет равно -1,5В, через 1 мс — -3 В, через 1,5 мс — -4,5 В и т. д. Следует отметить, что постоянная времени интегрирующего усилителя C1R1 численно равна длительности временного интервала, в течение которого выходное напря­жение интегратора, «стартующее» с нулевого уровня, нарастает до величины входного напряжения.

Для того чтобы построить график временной зависимости выходного напря­жения, нужны две точки. Удобнее всего использовать точки, указанные на

Рис. 31.9. Повторитель напряже­ния. Рис. 31.10.

Рис. 31.11.

рис. 31.10: точку А для момента времени t = 0, когда выходное напряжение Vвых = 0, и точку В для момента времени t = C1R1 (постоянная времени интегра­тора), когда выходное напряжение Vвых = - V1 (входное напряжение с обратным знаком). Проводя через точки А и В прямую линию, получаем график измене­ния выходного напряжения. В рассматриваемом примере координаты точки А определяются как (0 В, 0 мс), а точки В как (-3 В, 1 мс).

Форма выходного сигнала при подаче на вход интегратора последова­тельности прямоугольных импульсов показана на рис. 31.11.

Коэффициент усиления переменного сигнала

Если на вход интегрирующего усилителя подать синусоидальный сигнал, на его выходе воспроизводится также синусоидальный сигнал. В этом случае интегратор работает как усилитель с коэффициентом усиления по переменному току, определяемым постоянной времени C1R1 и частотой входного сигнала.

Реактивное сопротивление конденсатора XC1

Коэффициент усиления = ———————————————————————————,

R1

где реактивное сопротивление конденсатора . Отсюда

Коэффициент усиления =

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (рис. 31.12) вырабатывает выходной сиг­нал, пропорциональный разности входных сигналов V1 — V2. При R1 = R2 имеем

Рис. 31.12.

Назначение выводов ОУ 741

На рис. 31.13 показана схема расположения выводов ОУ 741, выпускаемо­го в 8-штырьковом DIP-корпусе (плоском корпусе с двухрядным распо­ложением выводов). Подстройка нуля на выходе ОУ (балансировка ОУ) обеспечивается подстроечным резистором, включаемым между вывода­ми 1 и 5 (как показано на рис. 31.14). Выводы 2 и 3 — инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ соответственно. Выходной сигнал снимает­ся с вывода 6. Положительное напряжение источника питания (+15 В) подается на вывод 7, а равное по величине отрицательное напряжение (-15 В) — на вывод 4. Вывод 8 не используется.

Рис. 31.13. Назначение выводов ОУ 741.

Рис. 31.14.

Частотная коррекция

Идеальный ОУ имеет бесконечную полосу пропускания. Однако на прак­тике коэффициент усиления спадает при увеличении частоты. Для ком­пенсации этого падения и, следовательно, для расширения полосы про­пускания в некоторых ИС операционных усилителей предусмотрены вы­воды для частотной коррекции. В ОУ 748 для этой цели предназначены выводы 1 и 8 (рис. 31.15). Частотная коррекция осуществляется путем включения конденсатора C1 между этими выводами, как показано на рис. 31.15(б).

Рис. 31.15. ОУ 748: (а) назначение выводов; (б) частотная коррекция и балансировка.

32

Мультивибраторы и таймеры

Мультивибраторы состоят из двух транзисторов, соединенных таким образом, что один из них полностью открыт и насыщен, а другой закрыт. Следовательно, мультивибратор имеет два определенных устойчивых со­стояния: T1 открыт / T2 закрыт или, наоборот, T1 закрыт / T2 открыт. На рис. 32.1 показана основная принципиальная схема мультивибратора, где Z1 и Z2 обозначают два элемента связи, обеспечивающие положительную обратную связь.

Рис. 32.1. Основная принципиальная схема мультивибратора.

В зависимости от используемых элементов обратной связи все муль­тивибраторы можно подразделить на три типа.

1. Бистабильный мультивибратор, который может оставаться сколь угодно долго в одном из двух устойчивых состояний. Чтобы пере­ключить его из одного состояния в другое, необходимо подать внеш­ний запускающий импульс. Мультивибратор остается в этом другом состоянии до тех пор, пока на него не воздействует второй внешний импульс, и так далее.

2. Моностабильный мультивибратор (одновибратор или ждущий мультивибратор), который имеет лишь одно устойчивое состояние равновесия. Под воздействием внешнего импульса он переключается в другое состояние и остается в этом состоянии квазиравновесия в те­чение отрезка времени, определяемого постоянной времени элементов обратной связи, после чего самостоятельно возвращается в исходное состояние.