Аналоговые схемы, работающие на линейных участках амплитудных характеристик

Инвертирующий усилитель (рис.8.4) изменяет знак выходного сигнала относительно входного. На инвертирующий вход через резистор R1 подается U_вх и вводится параллельная отрицательная обратная связь по напряжению с помощью резистора R_о.с._. Коэффициент усиления

к_U.и= .

Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов делают симметричные входы, выбирая R₂=R₁êêR_о.с.

Неинвертирующий усилитель (рис.8.5) не изменяет знак выходного сигнала относительно входного и

к_U.н= .

Вычитатель-усилитель (рис.8.6) предназначен для усиления разностных сигналов. Если R₁=R₂ и R_о.с=R, то U_вых=(U_вх2-U_вх1) .

Сумматоры. Схемы инвертирующего и неинвертирующего сумматоров приведены на рис.8.7, 8.8. Для инвертирующего сумматора выходное напряжение определяется по формуле

.

При равенстве входных сопротивлений R₁=R₂=R

U_вых=- (U_вх.1+U_вх.2+...+U_вх.n) - для инвертирующего сумматора;

- для неинвертирующего сумматора.

В схеме сумматоров переменным параметром является сопротивление обратной связи R_о.с, которое и определяет коэффициент усиления. Формулы

приведены для постоянных величин (числовой сумматор) U_вх.1, U_вх.2 и т.д. В работе исследуется также инвертирующий геометрический сумматор, для которого складываются мгновенные значения U_вх.1 и U_вх.2.

Интегратор, схема которого показана на рис.8.9, реализует операцию

,

где t=R₁C_о.с - постоянная времени.

Дифференциатор (рис.8.10) выполняет операцию

U_вых=-R_о.сC =-t .

Для интегратора и дифференциатора на инвертирующий вход подаются прямоугольные импульсы с выхода симметричного мультивибратора. На рис.8.11,а приведен электрический аналог и на рис.8.11,б временные диаграммы, поясняющие принцип дифференцирования и интегрирования в электрических и электронных цепях.

Линейные усилители представлены инвертирующим усилителем (рис.8.12), для которого U_вых=- и избирательным усилителем (рис.8.13) с частотно-зависимым двойным Т-образным мостом на базе резисторов R₁, R_2, R₃ и конденсаторов C_1, C₂, C₃, подключенным по схеме отрицательной обратной связи, для которого w₀= . Мост выполняется симметричным, т.е. R₁=R₂=R, C₁=C₂=C и R₃= . Если C₃=C₁+C₂=2C, тогда w₀= .

Генераторы

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор (рис.8.14) является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Рассматриваемый генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны t_и=t_n=R_о.сC×ln(1+ ), при R₁=R₂ t_и=t_п=R_о.сC×ln3, период повторения импульсов Т_п=(t_и+t_п)=2t_и, скважность Q= . Изменяя t=R_о.сC и величины R₁, R₂, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

Генератор гармонических колебаний с мостом Вина на базе ОУ (рис.8.15) является самовозбуждающимся устройством. Мост Вина, состоящий из элементов R₁, R₂, C₁, C₂, образует звено частотно-зависимой положительной обратной связи, для которого f₀= - частота генерации частотно-зависимой цепи. При R₁=R₂=R и C₁=C₂=C (условие обязательное) f₀= . Соотношение параметров R_о.с и R₀ определяет коэффициент усиления k_u.

Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) предназначен для получения напряжения, которое в течение некоторого времени нарастает или спадает по линейному или близкому к линейному закону и используется в каскадах сравнения, схемах временной задержки импульсов, для получения временных разверток в электронно-лучевых трубках и т.д. Реализация ГЛИНа на ОУ и временные диаграммы входного и выходного напряжений даны на рис.8.16. Принцип работы основан на применении зарядного или разрядного устройства, интегрирующего конденсатора C и электронного ключа на транзисторе VT. При закрытом состоянии ключа происходит заряд конденсатора C от Е_зар. через R₃ с постоянной времени t_зар=R₃C, что определяет длительность прямого (рабочего) хода. Замыкание ключа приводит к быстрой разрядке конденсатора и время обратного хода определяется сопротивлением насыщенного транзистора. Выходное напряжение повторяет форму напряжения на конденсаторе C и имеет вид “пилы”.

Пороговые устройства предназначены для сравнения двух входных величин. В рассматриваемых схемах сравниваются постоянное U_оп и переменное U_вх напряжения. На рис.8.17,а приведен двухвходовый компаратор, у которого сравнивающиеся сигналы поступают на оба входа усилителя. Поэтому состояние выхода компаратора (полярность выходного напряжения) определяется большим по уровню напряжением одного их входов, что отражает идеализированная (без учета гистерезиса) передаточная характеристика (рис.8.17,б). При равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю. При DU_вх=U_оп-U_вх>0
наряжение на выходе ОУ будет равно U_вых=U_вых.m, если же DU_вх=U_оп-U_вх<0, то U_вых=-U_вых.m.

Уровень входного напряжения компаратора ограничивается допустимым синфазным входным напряжением. Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами для U_вх и U_вых (рис.8.17,в). Обратные связи для этого компаратора не предусмотрены ни по одному их входов.

Для ускорения процесса переключения используют ускоряющие цепи на основе введения положительных обратных связей (ПОС). Такой компаратор с ПОС называется также триггером Шмитта (рис.8.18,а). Здесь применяется ПОС через цепочку R₁,R₂, а входной сигнал подается на инвертирующий вход. На рис.8.18,б построена передаточная характеристика этого компаратора, для которой

U_пр^¢=U_оп

U_пр^²=U_оп

U_г=U_пр^¢-U_пр^²= ,

U_г - ширина петли, определяющая соотношением сопротивлений делителя R₁ и R₂.

Предварительное задание к эксперименту

1. Для инвертирующего усилителя (рис.8.4) R₁=10 кОм и R_о.с=20, 100 и 270 кОм рассчитать и построить амплитудную характеристику при изменении U_вх от 0 до 1000 мВ и ограничении U_вых=12 В.

2. Рассчитать U_вых вычитателя-усилителя (рис.8.6) при R₁=R₂=R=10 кОм и R_о.с=10 и 20 кОм при трех значениях U_вх1 и U_вх2 в пределах ±1000 мВ. Результат внести в табл.8.2.

3. Рассчитать U_вых инвертирующего сумматора (рис.8.7) при R₁=R₂=R=10 кОм и R_о.с=20, 50, 100 кОм при трех различных наборах U_{вх 1} и U_вх2 в пределах ±1000 мВ. Результат внести в табл.8.2.

4. Определить постоянную времени t для интегратора R₁=10кОм; C_о.с=5 и 10 нФ) и дифференциатора (R_о.с=10 и 50 кОм, C=10 и 5нФ).

5. Рассчитать резонансную частоту f_о и период Т₀ избирательного усилителя (рис.8.13) при R=24 кОм и C=1,1 нФ.

6. Рассчитать длительность импульсов (t_и) и пауз (t_п), а также период повторения импульсов (Т_п) выходного напряжения мультивибратора (рис.8.14) при C= 6,8 нФ и R_о.с=16 кОм.

7. Определить частоту и период выходного напряжения генератора гармонических колебаний (рис.8.15) при R=____кОм и C=_____нФ.

Примечание: объем предварительного задания может быть уменьшен по указанию преподавателя.