Основные характеристики и параметры ОУ

 

При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращения входного и выходного сигналов совпадают по фазе. При подаче сигнала на инвертирующий вход приращение выходного сигнала противоположно по фазе приращению входного сигнала. Выводы, к которым подключаются источники питающего напряжения ±Е_П, а также вспомогательные цепи на принципиальных схемах не обозначают.

Рис. 8.5

Важнейшая характеристика ОУ – передаточная характеристика (рис. 8.5) – представляет собой зависимость выходного напряжения от входного. Кривая 1 соответствует подаче входного напряжения на неинвертирующий вход, кривая 2 – на инвертирующий. Обе характеристики получают при подаче входного сигнала на один из входов и нулевом сигнале на другом. Горизонтальные участки характеристик соответствуют либо режиму насыщения, либо режиму отсечки транзисторов выходных каскадов, при этом ½ U_ВЫХm½ =(0, 9¸ 0, 95)Е_П. Наклонные участки соответствуют пропорциональной зависимости выходного напряжения от входного.

Современные ОУ имеют следующие основные параметры:

Параметры ОУ, которые характеризуют его качество, весьма многочисленны. К основным относятся следующие.

1. Коэффициент усиления К – отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке характеристики:

k_U= U_ВЫХ/ U_ВХ,

где DU_ВЫХ, DU_ВХ – приращения выходного и входного напряжений ОУ. Величина k_U может быть определена по передаточной характеристике ОУ. Коэффициент усиления зависит от напряжения питания Е_П, температуры окружающей среды и изменяется от экземпляра к экземпляру. По этой причине ОУ (за исключением компараторов) не применяют без цепей обратной связи (ОС), стабилизирующих величину k_U. Величины k_U лежат в диапазоне 10³ – 10⁶.

2. Напряжение смещения U_СМ – дифференциальное входное напряжение (U₊–U_–), при котором выходное напряжение усилителя равно нулю U_ВЫХ = 0 (рис. 8.5). Напряжение смещения обусловлено разбросом параметров элементов, входящих в состав ОУ. Максимальное по модулю значение U_СМ для усилителей, входные каскады которых выполнены на биполярных транзисторах, чаще всего составляет 3 – 10 мВ. У тех ОУ, входной каскад которых строится на полевых транзисторах, напряжение смещения обычно на порядок больше (30 – 100 мВ).

3. Средний входной ток I_ВХ – среднеарифметическое значение токов Н _– и И _– входов усилителя, измеренных при таком входном напряжении U_ВХ, при котором выходное напряжение U_ВЫХ равно нулю. Входной ток представляет собой ток покоя баз (затворов) транзисторов входных каскадов ОУ. Средний входной ток интегральных усилителей с входными каскадами на биполярных транзисторах обычно лежит в диапазоне 0, 01 – 1 мкА. Такие малые значения I_ВХ обеспечиваются за счет работы входных транзисторов ОУ в режиме очень малых коллекторных токов. Дальнейшее снижение входных токов (до 1 нА и меньше) достигается при использовании полевых транзисторов во входных каскадах ОУ .

Если сопротивления внешних цепей, подключенных к входам усилителя, неодинаковы, то разность падений напряжений от входных токов на них вызывает дополнительное напряжение, складывающееся с напряжением смещения.

Для исключения влияния на работу ОУ напряжения смещения и входных токов усилители дополняют элементами для их начальной балансировки. Величина сопротивления резистора R, вводимого в цепь одного из входов, должна быть равна общему сопротивлению резисторов, подключенных к другому входу, т.е.

R R₁ ê ê R₂,

где R₁, R₂ – сопротивления второго входа ОУ.

При выполнении этого условия входы ОУ будут эквипотенциальны при любом значении I_ВХ.

Напряжение смещения компенсируется подачей на один из входов напряжения, снимаемого с движка потенциометра R₃.

4. Разность входных токов I_ВХ – абсолютное значение разности токов двух входов усилителя |I₊–I_–|, измеренных тогда, когда напряжение на выходе усилителя равно нулю. Этот разностный ток в значительной степени говорит о том, насколько велика несимметрия входного каскада ОУ. Если значение I_ВХ близко к нулю, то влияние входных токов I₊ и I_- на входное напряжение ОУ можно существенно уменьшить, устанавливая одинаковыми эквивалентные проводимости внешних цепей, присоединенных к Н- и И- входам ОУ. Обычно I_ВХ составляет 20–50% I_ВХ.

5. Входное сопротивлениеR_ВХ – сопротивление со стороны одного из входов ОУ, когда другой заземлен. В некоторых случаях это сопротивление называют входным сопротивлением для дифференциального сигнала, с тем чтобы отличить его от входного сопротивления для синфазного сигнала. Входное сопротивление ОУ имеет значения от нескольких килоом для биполярных транзисторов до единиц и более мегаом для полевых транзисторов.

6. Входное сопротивление для синфазного сигнала R_CФ определяют как отношение приращения синфазного напряжения к приращению среднего тока усилителя. Величина r_CФ обычно на 1 – 2 порядка и более превышает R_ВХ.

7. Выходное сопротивление ОУ R_ВЫХ определяется точно так же, как и для любого другого усилителя и составляет обычно величину R_ВЫХ = (20...200) Ом. Это сопротивление, измеренное со стороны нагрузки, представляет собой сопротивление выходных каскадов ОУ, построенных на эмиттерных повторителях.

8. Коэффициент ослабления синфазного сигнала k_ОСсф – отношение коэффициента усиления k_U к коэффициенту передачи синфазного сигнала:

k_ОСсф=20 lg( k_СФ / k_U ).

Коэффициент передачи синфазного сигнала при этом определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного напряжения. Коэффициент ослабления синфазного сигнала может быть определен и по-другому: как отношение синфазного сигнала к вызванному этим сигналом изменению напряжения смещения усилителя.

Этот параметр зависит от величины коэффициента передачи синфазного сигнала k_СФ, измеряемого при подаче на оба входа ОУ одинаковых сигналов u_ВХ1=u_ВХ2 . Параметр характеризует асимметрию входов ОУ. Обычно для интегральных ОУ общего применения k_ОСсф=(–70¸ –120) дБ.

9.Коэффициент влияния нестабильности источника питания К_П – отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений U_П (иногда влияние нестабильности источников положительного и отрицательного питающих напряжений характеризуют раздельными коэффициентами влияния). Этот коэффициент чаще всего равен 2´ 10^-5–2´ 10^-4, что соответствует 20 – 200 мкВ/В.

10. Параметры цепи питания Е_П, I_П. Позволяют выбрать двухполярный источник питания по напряжению и мощности. Данные параметры лежат в пределах

Е_П = (±5... ±27) В, I_П £ (0, 03...10)мА .

11. Динамические свойства ОУ определяются обычно двумя параметрами: частотной полосой (рис. 8.6, a) и скоростью изменения выходного сигнала по его переходной характеристике (реакции на ступенчатое воздействие, рис. 8.6, б):

– частотная полоса ОУ определяется частотой единичного усиления f₁, т. е. частотой, на которой коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы. Значения f₁ у большинства интегральных ОУ лежат в диапазоне от десятых долей мегагерца до нескольких десятков мегагерц. Частотные параметры ОУ определяются по его амплитудно-частотной характеристике (рис. 8.6, а):

а)	б)
Рис. 8.6

1) частота единичного усиления f₁. Частота, при которой модуль коэффициента усиления становится равным единице;

2) предельная частота f_ВП. Частота, соответствующая снижению коэффициента усиления ОУ в раз по сравнению с низкочастотным значением. В современных ОУ f_ВП достигает десятков МГц.

Снижение коэффициента усиления в области высоких частот происходит за счет ухудшения частотных свойств транзисторов и влияния паразитных емкостей схемы ОУ;

– максимальная скорость нарастания выходного напряженияОУ (V) определяется при подаче на его вход импульса напряжения прямоугольной формы:

V_Uвых = DU_ВЫХ / Dt.

Для типовых современных интегральных ОУ максимальная скорость нарастания V_Uвых=(0, 1–100) В/мкс. Так как наибольшая скорость изменения синусоидального сигнала пропорциональна амплитуде и частоте этого сигнала, то ограничение скорости изменения выходного сигнала ОУ приводит к ограничению амплитуды выходного неискаженного гармонического сигнала на высоких частотах.

12. Время установления t_УСТ определяет изменение выходного напряжения ОУ от уровня 0, 1 до уровня 0, 9 от установившегося выходного напряжения. Типовые значения t_УСТ=(0, 05¸ 2) мкс.

13. Частотная коррекцияОУ осуществляется с помощью подключения конденсаторов и резисторов к соответствующим зажимам ОУ. Назначение частотной коррекции – предотвращать автоколебания выходного сигнала при охвате усилителя цепью отрицательной обратной связи (ООС). Причина автоколебаний – нежелательные фазовые сдвиги в усилителе и цепи ООС, вследствие чего отрицательная обратная связь на некоторой частоте приобретает свойства положительной обратной связи. Чем сложнее усилитель и чем выше его коэффициент усиления, тем более склонен он к самовозбуждению (за счет паразитных емкостей между входом и выходом).

Цепи коррекции снижают коэффициент усиления ОУ на той частоте, на которой фазовый сдвиг в замкнутом контуре равен 360° (коррекция на отставание по фазе), или уменьшают сдвиг фаз на тех частотах, на которых коэффициент усиления в замкнутом контуре больше единицы (коррекция на опережение по фазе). Рекомендуемые для различных конкретных ОУ цепи коррекции обычно приводятся в руководствах по применению ОУ.

Операционные усилители К140УД6, К140УД7, К140УД8, К544УД1 имеют встроенные цепи частотной коррекции, реализованные, как правило, на основе МОП- конденсаторов, формируемых в кристалле одновременно с другими элементами усилителя. Наличие внутренней частотной коррекции является существенным достоинством при эксплуатации усилителя, хотя и не позволяет в полной мере использовать динамические свойства усилителя при малых значениях коэффициента ООС.

Устойчивость усилителя, охваченного цепью отрицательной обратной связи, может существенно ухудшиться, если он нагружен на полное сопротивление, имеющее емкостный характер. В подобных случаях рекомендуется для предотвращения самовозбуждения подключать к выходному зажиму ОУ (внутри контура обратной связи) резистор сопротивлением 50 – 100 Ом.

Выпускаемые ОУ классифицируются по группам:

– ОУ общего назначения, представляющие наиболее многочисленную группу универсальных ОУ;

– прецизионные ОУ, позволяющие с высокой точностью поддерживать высокий k_U, имеющие высокое входное сопротивление и малое U_СМ £ 0, 5мВ (например 153УД5);

– быстродействующие ОУ, характеризующиеся высокими значениями V_U вых и малым t_УСТ; они имеют значения f₁=(15¸ 20)МГц (например 140УД10, КР544УД2);

– микромощные ОУ, потребляющие наименьшую энергию от источника питания (например 140УД12, I_П< 0, 18мА при Е_П= ±6В).

При анализе работы ОУ часто пользуются схемой замещения. Вместе с тем для удобства расчетов, учитывая высокое качество параметров современных ОУ, без внесения заметных погрешностей в расчеты можно считать k_U ®¥ , R_ВХ®¥, R_ВЫХ®0.

Для оценки зависимости свойств ОУ от температуры окружающей среды используются следующие параметры:

–Температурный дрейф напряжения смещения – для интегральных ОУ со входными каскадами на биполярных транзисторах составляет обычно 5 – 20 мкВ/К. Для усилителей, входные каскады которых построены на полевых или на составных биполярных транзисторах, температурный дрейф напряжения смещения лежит в диапазоне 20 – 100 мкВ/К;

– Температурные изменения входных токов ОУ имеют различный характер в зависимости от типа транзисторов, использованных во входных каскадах. В ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах входной ток уменьшается при увеличении температуры (это объясняется тем, что коэффициент усиления транзистора возрастает, в то время как коллекторный ток остается постоянным). При увеличении температуры от 20 до125°С входной ток ОУ на биполярных транзисторах уменьшается почти в три раза и примерно во столько же раз возрастает при уменьшении температуры от 20 до – 60°С.

В усилителях, входные каскады которых выполнены на полевых транзисторах, входной ток возрастает с увеличением температуры. В этом случае входной ток – это в основном ток запертого р – n-перехода, который, как известно, возрастает примерно в 2 раза при увеличении температуры на 10° К.

Температурное изменение разности входных токов носит такой же характер, что и температурное изменение среднего входного тока: в ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах разность входных токов уменьшается с увеличением температуры, а в ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах – возрастает. Вследствие неидентичности параметров транзисторов входного каскада разность входных токов ОУ может изменяться с относительным температурным коэффициентом, в 1, 5 – 2 раза большим, чем относительный ТК среднего входного тока ОУ.

– Температурный коэффициент коэффициента усиления ОУ может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от температуры и типа ОУ. В полном диапазоне допустимых температур окружающей среды коэффициент усиления ОУ изменяется обычно не более чем в 3 – 5 раз.

 

 

Свойства ОУ

 

При анализе работы ОУ принимается:

1. Коэффициент усиления К_у®¥.

2. Входное сопротивление R_вх®¥.

3. Полоса рабочих частот бесконечна.

4. Выходное сопротивление R_вых®0.

Практическая трактовка свойств ОУ.

1. Обычно U_п£ 15 В, U_вых< U_п. При U_{п1, 2}=±15В: U_вых.max=±10¸ 12В. Тогда

U_вх=U_вых/К_у=10/ (100000) =0, 0001В=100mkВ@0.

Рис. 8.7	Рис. 8.8

Это означает, что напряжение между входами ОУ близко к нулю (рис. 8.7). Примечание: это свойство справедливо, пока ОУ находится в линейном режиме, т.е. U_вых< U_вых.max =12...13В.

2. DI_вх=DU_вх/R_вх@0/¥ =0, т.е. входные выводы ОУ тока не потребляют: I_вх1=I_вх2=0 (рис. 8.8).

3. ОУ является безинерционным устройством.

4. Выходное напряжение ОУ не зависит от нагрузки.

 

 

Основы схемотехники ОУ

 

Современные операционные усилители имеют не менее трех каскадов усиления.

Входной дифференциальный каскад усиления, в котором часто используют полевые транзисторы, обеспечивает входные характеристики ОУ, в частности высокое входное сопротивление и коэффициент усиления, достигающий нескольких миллионов.

Рис. 8.9

Рис. 8.10

Основой его является усилительная схема на двух транзисторах. Схема входного дифференциального каскада показана на рис. 8.9. Реализация источника тока I₀ представлена на рис. 8.10. Ввиду полной идентичности транзисторов ток I₀ делится между эмиттерами транзисторов поровну.

Рассмотрим случай при U_вх=0. Так как эмиттерные токи VT₁ и VT₂ равны I₀/2, то коллекторные токи также равны I₀/2 (пренебрегаем малыми базовыми токами). График напряжений на элементах схемы представлен на рис. 8.11:

Рис. 8.11

U_вых=U_вых1-U_вых2=0.

При U_вх¹ 0 график показан на рис. 8.12. Под действием положительного входного напряжения VT₁ – открывается, VT₂ – закрывается, т.е. когда

Рис. 8.12

U_вых= U_вых1-U_вых2¹ 0

– баланс нарушен.

Недостатки такого дифференциального каскада:

1. Выходное напряжение снимается между коллекторами, т.е. не привязано к общей точке.

2. Низкий коэффициент усиления по напряжению при малом уровне тока I₀ и конечных сравнительно низких номиналах R_к1 и R_к2.

Рис. 8.13

Схема современного входного дифференциального каскада показана на рис. 8.13. VT₁ и VT₂ с источником тока I₀ повторяют первую схему. Добавлены VT₃ и VT₄, образующие повторитель тока эмиттера транзистора VT₁. Ток 2I_б при больших коэффициентах усиления »0. Схема на транзисторах VT₃ и VT₄ называется “токовое зеркало”.

При U_вх=0: I_VT1=I₀/2, I_VT2=I₀/2, I_VT4=I_VT1=I₀/2. Т.к. I_VT2=I_VT4 , то I_н=0.При U_вх> > 0: VT₁ – открыт, VT₂ – закрыт, I_VT1=I_VT4=I₀, I_VT2=0, поэтому

I_н=I_н1=I₀.

При U_вх< < 0: VT₁ – закрыт, VT₂ – открыт, I_VT1=I_VT4=0, I_VT2=I₀, поэтому I_н=I_н2= -I_0.

Существуют и другие варианты подобных каскадов. Для получения большого коэффициента усиления операционные усилители обычно делаются трехкаскадными. Следующий второй каскад называется промежуточным каскадом.

Промежуточный каскад современных ОУ содержат цепи защиты по входу от перенапряжений и по выходу от превышения выходного тока. Он может быть выполнен:

а) как первый входной каскад;

Рис. 8.14

б) с общим эмиттером;

в) с общим коллектором.

Выходной каскад (рис. 8.14) представляет собой бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности. Он служит для согласования высокого выходного сопротивления входных дифференциальных каскадов с низкоомной нагрузкой, обеспечивая низкое выходное сопротивление ОУ. Чаще всего применяется реверсивный эмиттерный повторитель на транзисторах разного типа проводимости.

 

 

Основные схемы включения ОУ

 

ОУ обычно применяется с обвязывающими цепями. Применение этих цепей позволяет выполнять с помощью его математические операции: алгебраическое суммирование, интегрирование, дифференцирование. Одновременно со всеми указанными операциями выполняется усиление входного сигнала.

Инвертирующий усилитель. Инвертирование - это изменение знака. Типовая схема инвертирующего включения представлена на рис. 8.15. Схема замещения выходной цепи представлена на рис. 8.16. Усилительные параметры можно легко определить из схемы замещения усилителя (рис. 8.16), если учесть, что при k_U® ¥ , u^*®0. При этом допущении, а также при условиях Z_ВХУ> > Z_ВХ, Z_Н > > Z_ВЫХ, Z_ОС> > Z_ВЫХ основе свойств ОУ можно записать следующие уравнения:

Рис. 8.15

Рис. 8.16

I_вх=U_вх/Z_вх; I_ос=I_вх; I_ос= =-U_вых/Z_ос.

На основе этих уравнений получаем:

-U_вых/Z_ос=

=U_вх/Z_вх;

U_вых= -Z_ос/Z_вх´ U_вх; U_вых/U_вх= -Z_ос/Z_вх,

где Z_ос/Z_вх=k_у – коэффициент усиления схемы. Т.е.

– коэффициент усиления

k_у = DU_вых / DU_вх = – Z_ос /Z_вх;

– входное сопротивление

Z_вху = Z_вх,

– выходное сопротивление (определяется со стороны нагрузки при DU_вх = 0)

Z_ВЫХ = R_ВЫХ / ( 1 + gk_U ),

где DU_вх, DU_вых – приращения входного и выходного напряжения; g = R₁ / (R₁+R₂) – коэффициент передачи цепи обратной связи.

Понятие передаточной функции – одно из основополагающих понятий теории управления. Отношение U_вых/U_вх в случае, если каждая из этих величин записана в преобразовании Лапласа, называется передаточной функцией схемы.

При использовании ОУ в качестве инвертирующего усилителя входной сигнал подают на его инвертирующий вход через токоограничивающий резистор Z_вх. С помощью резистора Z_ос осуществляется отрицательная обратная связь по напряжению. В этих схемах выходное напряжение сдвинуто по отношению к входному на 180 эл. градусов.

Рис. 8.17

Схема интегратора. Схема представлена на рис. 8.17. На ней: Z_вх=R_вх; Z_ос=1/pC_ос. Тогда

-U_вых/U_вх=1/(pC_ос´ R_вх) =1/pТ_и,

где Т_и=С_ос´ R_вх – постоянная интегрирования.

Получение этих же зависимостей с помощью подробного описания на основе двух свойств ОУ:

i_вх=u_вх/R_вх; i_вх=i_ос.

Выходное напряжение ОУ:

u_вых= –1/C_осò i_осdt= –1/C_осò (u_вх /R_вх)dt=

= –1/(C_осR_вх)ò u_вх dt Þ –1/(pС_осR_вх)´ U_вх.

Рис. 8.18

Диаграмма работы интегратора представлена на рис. 8.18.

Схема дифференцирования. Схема представлена на рис. 8.19:

Z_вх=1/pС_вх; Z_ос=R_ос;

-U_вых/U_вх=R_ос/(1/ рС_вх)= =рС_вхR_ос=рТ_д,

где Т_д=С_вхR_ос – постоянная дифференцирования.

Рис8.19

Рис. 8.20

Диаграммы работы представлены на рис. 8.20, где p/2 – сдвиг по фазе.

Амплитуда выходного сигнала зависит от величины Т_д (чем больше Т_д, тем больше амплитуда).

Схема суммирования. Схема представлена на рис. 8.21. Исходные уравнения:

Рис. 8.21

I₁=U_вх1/R_вх1; I₂=U_вх2/R_вх2; I₃=U_вх3/R_вх3; I_ос=I₁+I₂+I₃; U_вых=I_ос´ R_ос.

Отсюда

U_вых= U_вх1´ R_ос/R_вх1 + U_вх2´ ´ R_ос/R_вх2 + U_вх3´ R_ос/R_вх3.

Входов может быть сколько угодно, знаки входных напряжений произвольны. На практике резисторы устанавливаются величиной 1кОМ¸ десятки кОМ.

Рис. 8.22

Неинвертирующий усилитель. Выполняется по схемам рис. 8.22. Другое возможное изображение представлено на рис. 8.23. В данном устройстве входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход, а часть выходного напряжения при помощи делителя R₁, R₂ подается на инвертирующий вход ОУ. В этих схемах приращения входного и выходного напряжений совпадают по знаку (фазе). Исходные уравнения:

Рис. 8.23

I₁=U_вх/R₁; I₁=I_ос;

I_ос=(U_вых – U_вх)/R_ос.

Отсюда

U_вх/R₁=(U_вых – U_вх)/R_ос; U_вх/R₁+U_вх/R_ос=U_вых/R_ос.

Следовательно,

U_вых=(R_ос/R₁+1)´ U_вх= (R_ос+R₁)/R₁´ U_вх

или

U_вых/U_вх=(R_ос+R₁)/R₁.

Т. е. коэффициент усиления

K_у = DU_вых / DU_вх = 1/ g;

входное сопротивление

R_{вх ос} = ( 1 + gk_U ) R_вх;

выходное сопротивление

R_{вых ос} = R_вых / ( 1 + gk_U ).

При R₂®0 или R₁®¥ неинвертирующий усилитель выполняет функцию повторителя входного напряжения со следующими параметрами:

k_Uoc»1, R_{вх ос}= (1+ k_U )R_вx »k_U R_вx,

R_выхос= R_вых/(1+ k_U ) »R_вых /k_Uoc.

Анализ приведенных выражений показывает, что введение отрицательной обратной связи в схемы с ОУ позволяет:

– стабилизировать коэффициент усиления усилителей, который в этом случае определяется только параметрами внешних элементов;

– расширить диапазон изменения входного напряжения до значений

½ U_вхm½ = U_выхm / k_Uoc

– получить малые значения выходного сопротивления особенно в схеме повторителя;

– получить большое входное сопротивление в схеме неинвертирующего усилителя.

Так как в неинвертирующем усилителе сопротивление R_ВХу велико, а R_вых мало, он находит применение для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой. С целью снижения влияния флуктуационной составляющей входного тока входную цепь неинвертирующего усилителя шунтируют резистором R, величина которого выбирается из условия R< < R_вху (R=0, 5...1 МОм).

Ограничитель сигнала. Применение нелинейных элементов позволяет реализовать нелинейную связь между входным и выходным напряжениями. Обычно это выполняется с помощью инвертирующего включения. Характеристика, связывающая входное и выходное напряжения в инвертирующем включении, имеет вид, представленный на рис. 8.24. При этом tga=R_ос/R_вх.

Схема, реализующая характеристику без отрицательной ветви, представлена на рис. 8.25.

Ограничение выходного напряжения на заданном уровне может быть выполнено по схеме, представленной на рис. 8.26:

Рис. 8.24	а )	б )
	Рис. 8.25

а )	б )
Рис. 8.26

1. При U_вх> 0: если

U_R2³ U_VD1+U_СТ2,

то

U_вых=U_ОГР2=U_VD1+U_СТ2,

Рис. 8.27

т.е. напряжение на цепи обратной связи будет постоянным.

2. При U_вх< 0: если

½ U_R2½ ³ ½ U_VD2+U_СТ1½,

то

U_вых=U_ОГР1=U_VD2+U_СТ.

Когда U_СТ1 не равно U_СТ2, уровень ограничения U_ОГР1 будет не равен уровню ограничения U_ОГР2 . Отметим, что U_вых всегда равно падению напряжения на сопротивлении обратной связи.

Компараторы. Компараторы определяют знак входного сигнала и являются связующим элементом между аналоговыми и цифровыми схемами. Для реализации компаратора может использоваться операционный усилитель без обвязывающих цепей Z_вх, Z_ос. Характеристика компаратора должна иметь вид, показанный на рис. 8.27. Чтобы из инвертирующего включения получить компаратор, из схемы необходимо убрать R_ос, R₁ можно закоротить, как показано на рис. 8.28. Возможно и неинвертирующее включение ОУ (рис. 8.29). Выпускаются специализированные микросхемы компараторов К521СА3, К554СА3, КР597СА2, которые обладают повышенным быстродействием и имеют цифровой выход 1 и 0.

Рис. 8.28

Рис. 8.29

Диаграммы работы компаратора представлены на рис. 8.30.

Рис. 8.30

Схема применения компаратора для широтно-импульсного регулирования представлена на рис. 8.31. Получение пилообразного входного напряжения показано на рис. 8.32. Диаграммы работы исходной схемы показаны на рис. 8.33. В схеме рис. 8.31 ОУ является компаратором, который сравнивает два сигнала – пилообразный и управляющий. Изменяя величину U_упр, можно менять длительность интервалов t₁ и t₂. При этом период выходного сигнала T изменяться не будет, а соотношение между t₁ и t₂ будет зависеть от U_упр. Варианты:

Рис. 8.31

1. U_упр=0: t₁=0, t₂=T, U_вых=-U_нас.

2. U_упр=U_пил.max/2: t₁=t₂=T/2, U_вых.ср.=0.

3. U_упр=U_пил.max: t₁=T, t₂=0, U_вых=U_нас.

Таким образом, изменяя величину U_упр от 0 до max, можно менять среднее значение выходного напряжения U_вых.ср. от -U_нас. до U_нас. U_вых.ср–это постоянная составляющая выходного сигнала, которая может быть выделена с помощью фильтра. При изменении ширины интервалов t₁ и t₂ меняется U_вых.ср, поэтому такой способ регулирования среднего значения напряжения называется широтно – импульсным.

Триггер Шмитта. Он является компаратором с зоной нечувствительности. Зона нечувствительности может быть установлена любая желаемая, например, такой величины, чтобы при определении знака входного сигнала не чувствовался уровень помех во входном сигнале.

Рис. 8.32

Рис. 8.33

Триггер Шмитта строится на основе компаратора, но добавляется положительная обратная связь. Схема представлена на рис. 8.34. В этой схеме на неинвертирующий вход через делитель R₁R₂ подана часть выходного напряжения, причем знак напряжения на неинвертирующем входе зависит от знака выходного напряжения. Напряжение на неинвертирующем входе называют опорным:

U_оп=U_вых/(R₁+R₂)´ R₂.

Диаграммы работы представлены на рис. 8.35. Иногда U_оп называют пороговым напряжением. Т.о., если полезный сигнал содержит уровень помех меньше U_оп, то эти помехи на определение знака не будут сказываться. Знак определяется только гладкой составляющей опорного сигнала. При отсутствии опорного сигнала, когда входной сигнал переходит через нуль, и наличии помех было бы многократное переключение компаратора за счет помех (рис. 8.36).

Рис. 8.3 4

Рис. 8.35

Рис. 8.3 6

При включении схемы интервал (0 – t₁) короче, чем последующие интервалы. Для установившегося режима:

t₁=t₂=t₃=...; T=t₁+t₃º R₃C₁; f=1/T.

Усилители постоянного тока и переменного сигнала на ОУ. Рассмотренные усилители относятся к усилителям постоянного тока (УПТ) и могут усиливать как постоянные (медленно меняющиеся), так и переменные сигналы.

Усилители переменного сигнала (УПС) могут усиливать только переменные входные сигналы, так как содержат разделительные конденсаторы С₁...С₃, которые разделяют источник сигнала, усилитель и нагрузку, а также цепи отрицательной обратной связи по постоянным составляющим входного и выходного сигналов. Вместе с тем введение разделительных конденсаторов позволяет свести к минимуму отрицательное влияние напряжения смещения U_СМи входных токов на работу усилителей и упростить их наладку. Так для переменного (полезного) сигнала коэффициент передачи цепи обратной связи g и коэффициент усиления k_Uoc усилителя будут:

g = R₁ / (R₁+R₂), k_Uoc= 1/g,

т.к. емкость конденсатора С₃ выбирают из условия, чтобы в полосе пропускания

Х_сз< < R₁.

Для постоянной составляющей напряжения на входе ОУ, определяемой напряжением U_СМ и входными токами, X_C3=¥ , g₌=1, k₌=1. Благодаря этому, в отличие от УПТ, даже при очень больших коэффициентах усиления k_Uoc, постоянная составляющая выходного напряжения ОУ u_ВЫХ= остается неизменно малой величиной, равной

u_ВЫХ= » U_СМ,

и не оказывает влияния на работу схемы.

Изложенное справедливо и для инвертирующего УПС.

 

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
2. I.2. Основные интерпретации катарсиса.
3. II. Основные принципы и правила служебного поведения государственных служащих
4. II. ЦЕЛИ, ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ЗАДАЧИ ПРОФСОЮЗА
5. IV. Основные способы и средства защиты населения в чрезвычайных ситуациях.
6. V. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ РИСКА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА.
7. V1: 2. Основные этапы становления и развития финансовой системы России
8. XI. Основные виды и жанры аниме
9. А. Основные принципы создания и деятельности союза
10. Административная юрисдикция. Понятие и основные черты.
11. Античная философия, ее основные школы
12. Баскетбол – основные правила.