Раздел 3.4.2 Устройства аналоговой обработки сигналов (Лекция 20)

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 34Следующая ⇒

Учебные вопросы:

1. Интегрирующий усилитель

2. Дифференцирующий усилитель

Интегрирующий усилитель

Простейший интегратор, выполненный на основе инвертирующего усилителя.

В схеме вместо резистора включён конденсатор С.

а) б)

Рисунок 2.31 Схема интегрирующего усилителя

Используя всё те же свойства ОУ ( ): делаем вывод, что весь входной ток интегратора течёт через конденсатор. Учитывая:

Произведение RC называется постоянной времени интегратора τ, они имеют разность времени, что соизмеримо с размерностью сигнала, действующего на входе интегратора. При подаче на вход скачка постоянного напряжения ; не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя (ОУ).

У реального интегрирующего усилителя ЛАЧX имеет главный полюс на частоте . Эквивалентная постоянная времени реального интегрирующего усилителя: .

Следовательно, наличие операционного усилителя (ОУ) эквивалентно увеличивает ёмкость в раз, что во столько же раз и уменьшает ёмкость конденсатора. Это обусловлено эффектом Миллера – поэтому такой интегратор называется интегратором Миллера.

Погрешности выходного напряжения обусловлены:

· сдвигом нуля (для компенсации в неинвертирующий вывод необходим резистор )

· из-за нагрузки выхода ёмкостью и недостаточно малого на ВЧ может измениться фаза выходного напряжения. Для уменьшения ёмкостного характера нагрузки подключают выход ОУ к этому конденсатору через неинвертитрующий повторитель напряжения (рис. 2.31б)

Выходное сопротивление повторителя мало и нагрузка его на ёмкости не вызывает фазового сдвига. Если в инвертирующем интеграторе сделать несколько входов с резисторами R1, R2, R3, то получим интегрирующий сумматор.

Интеграторы широко применяются для осуществления алгебраических операций, при создании ГЛИН и синусоидального напряжения, точных фазовых сдвигов, установившихся в качестве фильтров НЧ.

Дифференцирующий усилитель

Дифференцирующий усилитель (дифференциатор) предназначен для получения , пропорционального скорости изменения входного сигнала. При дифференцировании сигнала операционный усилитель (ОУ) должен пропускать только переменную составляющую , а коэффициент усиления должен возрастать при увеличении скорости изменения входного напряжения.

Рисунок 2.32 Простейшая схема дифференциатора на

Инвертирующем усилителе.

Полагая, что ОУ идеальный, то:

В этой схеме сочетается дифференциатор и усилитель.

Асимптотическая ЛАЧХ, соответствующая это формуле – кривая 1. Она имеет крутизну наклона 20 дБ/декаду.Кривая 2 – асимптотическая ЛАЧХ операционного усилителя.

на любой частоте . Поэтому ЛАЧХ реального дифференциатораимеет вид Λ.Такой дифференциатор не применяется из-за недостатков:

1. Низкое на ВЧ, определяемое ёмкостью С.

2. Высокий уровень выходных шумов из-за большого усиления на ВЧ.

3. Склонность к самовозбуждению (самый главный).

Критическая точка определяется точкой пересечения кривых 1, 2 (в этой точке равны), а (частотно-зависимая составляющая фазы петлевого усиления) на частоте определяется разностью наклонов этих прямых к горизонтали:

=> это и свидетельствует о склонности к самовозбуждению. Из , 90° вносит обратная связь и 90° вносит операционный усилитель.

Для устранения недостатков переходят к другим схемам (рис. 7.5):

Рисунок 2.33

Резистор вносит частоту , начиная с которой коэффициент передачи ограничен . Теперь критической частотой является . На ней , что говорит об устойчивости устройства. Однако это сужает полосу пропускания дифференцируемых частот. С целью снижения шумов на выходе, путём уменьшения усиления на ВЧ, за пределами полосы дифференцирования в схему включают С₂, тогда , когда , сопротивление , а значит и будут снижаться (т.е. образуется полюс на частоте ).

Итак, на частоте – дифференциатор, на – полосовой фильтр, а далее – как интегратор. Если , то .

Увеличив в схеме число входов, подключением дополнительных цепей, подобных , получим дифференцирующий сумматор.

Раздел 2.4.3 Устройства аналоговой обработки сигналов (Лекция 21, 2 часа)

Учебные вопросы:

1. Логарифмический усилитель

2. Антилогарифмический усилитель

3. Перемножитель и делитель на основе управляемых сопротивлений

Логарифмический усилитель

Влогарифмическом усилителе выходное напряжение пропорционально логарифму входного. Для логарифмирования применяют операционный усилитель, охватываемые нелинейной обратной связью. В качестве нелинейного элемента используют диод, ток которого экспоненциально зависит от напряжения на нём:

где – тепловой ток запертого перехода, – температурный потенциал, .

Для открытого состояния диода при , :

или

Логарифмический усилитель на инвертирующей схеме (рис.7.6а) диод VD включается между выходом и инвертирующим входом.

Рисунок 2.34 Схема логарифмического усилителя

Полагая, что ОУ идеальный:

Реальная передаточная характеристика усилителя совпадает с идеальной лишь в диапазоне , которые определяют динамический диапазон (Д):

Для сжатия динамического диапазона знакопеременных входных сигналов применяют так называемый двусторонний логарифмический преобразователь (рис.7.6б).

Его передаточная характеристика симметрична относительно начала координат и состоит из двух логарифмических кривых. Наклон определяется отношением .Резистор оказывает влияние, чтобы скомпенсировать при слабых сигналах, когда сопротивление диодов велико. Недостаток этой схемы .

Логарифмирование осуществляется точнее и с большимД(по входу – несколько декад), если вместо диода используется транзисторc ОБ (рис.2.34в)

Ток через транзистор VT ( ) равен входному току схемы . В этой схеме . Для получения положительного выходного напряжения ( ) при отрицательном входном нужно использовать транзистор VT типа p-n-p. Для построения двустороннего логарифматора необходимо параллельно включить два транзистора: n-p-n и p-n-p. Коллекторная нагрузка транзистора VT равна и является высокоомной. Поэтому транзистор вносит большое усиление в сигнал ОС а входная ёмкость ОУ создаёт дополнительный полюс на характеристике петлевого усиления, увеличивая фазовый сдвиг => схема неустойчива. Для обеспечения устойчивости эмиттор транзистора VT соединяют с выводом ОУ через добавочный резистор R=1...5 кОм, что снижает усиление в цепи ОС, а выход ОУ соединяют с инвертирующим входом, конденсаторомС 100 пФ, что компенсирует сдвиг фазы цепи ОС.

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 131415 16 17 18 Следующая ⇒