Ограничение выходного напряжения усилителя

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 7Следующая ⇒

Выходное напряжение ОУ ограничено напряжением насыщения, которое несколько меньше напряжения питания. В ряде случаев требуется ограничение выходного напряжения на более низком уровне, что осуществляется специальными схемами ограничения.

Рис.3.3 Схема ограничения выходного напряжения ОУ со стабилитронами в цепи обратной связи

На рис.3.3 показан простейший способ ограничения выходного напряжения ОУ путем включения стабилитронов в цепь обратной связи. На рис.3.4, а показана идеализированная статическая характеристика стабилитрона, а на рис.3.5, б идеализированная статическая характеристика усилителя со схемой ограничения выходного напряжения.

Наклон статической характеристики усилителя (дифференциальный коэффициент усиления) определяется отношением результирующего дифференциального сопротивления цепи обратной связи к сопротивлению входной цепи

, (3.6)

где - суммарное сопротивление стабилитронов.

При , и . При

и K_Ud=0, то есть напряжение на выходе ОУ остается неизменным.

Рис.3.4. Идеализированные характеристики

а) – идеализированная характеристика стабилитрона,

б) – идеализированная характеристика усилителя со схемой ограничения.

Недостатком схемы ограничения рис.3 является то, что стабилитроны обладают конечным дифференциальным сопротивлением в диапазоне от -U_CT до +U_CT, что позволяет использовать данную схему лишь при низкоомных значениях резистора R₂.

Рис.3.5 Схема ограничения выходного напряжения с диодным мостом

В схеме рис.3.5, a, при U_ВЫХ меньше напряжения ограничения, все диоды VD1...VD4 открыты. За счет равенства падения напряжения на диодах напряжения U_ВЫХ и U_ОУ равны, а коэффициент усиления определяется соотношением .

При положительном напряжении U_ОУ больше напряжения ограничения, диоды VD1 и VD4 закрываются, а сопротивление нагрузки R_Н оказывается подключенным к источнику +E_П через резистор R₁ и диод VD2 (см. рис. 3.5, б). Максимальное положительное и отрицательное напряжения на нагрузке определяются, соответственно, выражениями

, . (3.7)

Статическая характеристика усилителя с данной схемой ограничения соответствует рис.3.4, б. Схема обеспечивает четкое ограничение и не влияет на коэффициент усиления в линейной области. Недостатками схемы являются: зависимость напряжения ограничения от сопротивления нагрузки и дополнительная нагрузка ОУ токами резисторов R₁, R₂.

Компараторы сигналов

Компаратором (схемой сравнения) называется устройство, сравнивающее два сигнала, и формирующее дискретный (логический) выходной сигнал согласно уравнению

, (3.8)

где U_m – модуль напряжение насыщения ОУ,

sign – оператор выдающий знак своего аргумента, стоящего в скобках.

Рис.3.6. Схемы компараторов на операционном усилителе

В схемах рис.3.6, а и рис.3.6, б сравниваемые сигналы подаются на один из входов ОУ, изменение выходного напряжения происходит при равенстве нулю суммы входных токов I₁ + I₂ = I_ВХ= 0, или при .

Максимальное выходное напряжение компаратора ограничивается насыщением или одной ранее рассмотренной схемой ограничения выходного напряжения. Для изменения выходного напряжения во всем диапазоне в компараторах без положительной обратной связи (схемы рис.3.6, а - рис.3.6, в) необходимо малое, но конечное изменение входного напряжения . Зависимость для схемы рис.3.6, а, при фиксированном напряжении U₂ приведена на рис.3.7, а. Если пренебречь величиной , то работа схемы рис.3.6, а описывается уравнением (3.9), а схемы рис.3.6, б уравнением (3.10).

, (3.9) . (3.10)

Уравнение работа схемы рис.3.6, в . (3.11)

Резисторы R₁ и R₂ выполняют защитные функции и могут отсутствовать.

В схеме рис.3.6, г введена положительная обратная связь через делитель, выполненный на резисторах R₁ и R₂, при этом резистор R₃ выполняет защитную функцию и может отсутствовать. Зависимость при фиксированном значении напряжения U₂ приведена на рис.3.7, б, где

напряжение срабатывания , (3.12)

напряжение отпускания , (3.13)

ширина петли гистерезиса . (3.14)

Компаратор с положительной обратной связью обеспечивает четкое, однозначное переключение. Ширина петли, при необходимости, может быть достаточно узкой (единицы милливольт).

Рис.3.7. Статические характеристики компараторов

а) – для схемы рис.3.6, а, б) – для схемы рис.3.6, г.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

«Программа» «Методические указания» «Содержание»

Варианты схем нелинейных усилителей

Рис.3.8. Рис.3.9.

Примечание: Для всех схем R₁= 20кОм, R₂= 60кОм, U_CT = 5В.

Рис.3.10. Рис.3.11.

Рис.3.12. Рис.3.13.

Таблица 3.1

Варианты выполняемых пунктов лабораторной работы

Вари-	Пункты лабораторной работы
анты	3.1.3.1.	3.1.3.3.	3.1.4.	3.1.5.	3.1.6.	3.1.7.1.	3.1.7.2.
	K_U1=1 K_U2=2	U₂=1.5В	K_U=3.0	не делать	R₁=40к R₂=60к R_Н=20к	рис.3.6, а R₁=20к R₂=100к	U₂=1В
	K_U1=0.5 K_U2=2	U₁=3В	K_U=1.0	не делать	R₁=20к R₂=40к R_Н=30к	рис.3.6, г R₁=20к R₂=80к	U₂= -1В
	K_U1=3 K_U2=1	U₂=2.5В	K_U=1.2	рис.3.8	не делать	рис.3.6, в R₁=60к R₂=100к	U₂=2.5В
	K_U1=4 K_U2=0.8	U₂=2В	K_U=1.4	рис.3.9	не делать	Рис.3.6, б R₁=60к R₂=100к	U₂=1.5В
	K_U1=5 K_U2=2.5	U₁=0.5В	K_U=1.5	рис.3.10	не делать	рис.3.6, а R₁=40к R₂=60к	U₂=2.3В
	K_U1=3 K_U2=0.6	U₂=2В	K_U=1.8	рис.3.11	не делать	рис.3.6, г R₁=20к R₂=100к	U₂=1.5В
	K_U1=4 K_U2=2	U₁=0.5В	K_U=2.0	рис.3.12	не делать	рис.3.6, в R₁=20к R₂=40к	U₂=3В
	K_U1=5 K_U2=1	U₂=1.5В	K_U=4.0	рис.3.13	не делать	рис.3.6, б R₁=80к R₂=20к	U₂=2В

Примечание: Пункт 3.1.2. программы выполняется во всех вариантах лабораторной работы.

Рис.3.14 Методика определения параметров ОУ по экспериментальной статической характеристике

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

3.4.1. Основные параметры операционного усилителя.

3.4.2. Работа основных схем на базе операционного усилителя.

3.4.3. Статические характеристики отдельных схем. 5.4. Основы расчета схем на базе операционного усилителя.

3.4.5. Методика экспериментального определения дифференциального коэффициента усиления, напряжения смещения, напряжений насыщения.

3.4.6. Приближенный расчет статических характеристик нелинейного усилителя при идеализации характеристик нелинейных элементов.

ЛАБОРТОРНАЯ РАБОТА № 4

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 Следующая ⇒