Преобразователи на базе операционных усилителей. Схемы генераторов и формирователей на базе ОУ. Гармонические генераторы на ОУ.

Назначение преобразователей на базе ОУ – обработка информационных сигналов в зависимости от назначения измерительного устройства.

На рисунке 11.1 показана схема повторителя сигнала. Входное сопротивление повторителя , т.е. очень большое. Выходное сопротивление . Такие параметры делают повторитель удобным каскадом согласования высокоомного источника сигнала и низкоомной нагрузки.

Рисунок 11.1 – Схема повторителя на базе ОУ

Инвертор представляет собой инвертирующий ОУ с коэффициентом передачи . Таким образом, реализуется только инверсия сигнала без его усиления.

На рисунке 11.2 показана схема двухвходового инвертирующего сумматора. Здесь резисторы , служат совместно с для образования ООС. Кроме того, резисторы и служат для взаимной развязки друг от друга источников сигналов.

Рисунок 11.2 – Схема инвертирующего сумматора

При , и . Для каждого источника входное сопротивление сумматора , выходное сопротивление .

На рисунке 11.3 показана схема интегратора. В цепь ООС вместо R2 включен конденсатор С. Так как для «идеального ОУ» , , , то . Входное сопротивление при этом , а выходное сопротивление – .

Рисунок 11.3 – Схема интегратора

В частном случае, когда на вход интегратора подается импульс постоянного напряжения длительностью , на выходе образуется линейно изменяющееся напряжение , где – постоянная времени цепи обратной связи, . Интегратор, работающий в указанном режиме, часто используется в генераторах линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), а также в схемах формирования пилообразного напряжения развертки.

На рисунке 11.4 показана схема компаратора, которая служит для определения момента равенства двух напряжений. Здесь входное синусоидальное напряжение сравнивается с нулевым потенциалом. ОУ использован без обратной связи, что является особенностью данной схемы.

Рисунок 11.4 – Схема компаратора

Напряжение на выходе принимает два крайних значения , где – напряжение насыщения ОУ (максимально возможное напряжение на выходе, обычно ниже напряжения питания на 1...2 В). При положительном входном сигнале напряжение на выходе отрицательное. При переходе входного напряжения через нуль выходное напряжение меняет знак.

Широкое применение в измерительной технике находят активные фильтры на базе ОУ. Термин «активный» объясняется включением в схему -фильтра активного элемента, в данном случае ОУ. Смысл такого включения заключается в компенсации потерь на пассивных элементах фильтра в целях получения высокой равномерности коэффициента передачи в полосе пропускания и большой крутизны спада передаточной характеристики.

Измерительный усилитель тока используется для измерения малых токов без внесения искажений в цепь за счет внутреннего сопротивления обычного микроамперметра (рисунок 11.5). Источник измеряемого тока показан в виде эквивалентной схемы, содержащей источник ЭДС с внутренним сопротивлением , выполняющее роль резистора в обычной схеме инвертирующего усилителя. В этом случае , что легко выполнимо для ОУ, имеющего большой собственный коэффициент усиления. По этой же причине входное сопротивление схемы весьма мало и не оказывает влияния на величину измеряемого тока. Заменив в схеме резистор на конденсатор, получим интегратор входного тока (усилитель электрического заряда), удобный, например, для усиления сигналов пьезоэлектрических датчиков. В этом случае существенно снижается погрешность измерения по сравнению с обычной схемой усиления напряжения пьезоэлектрического датчика.

Свойство усилителя на базе ОУ поддерживать ток в цепи обратной связи, равный току во входной цепи, используется для прецизионных преобразователей сопротивления в напряжение (ПСН), особенно если резистивный датчик (обычно тензодатчик) находится на значительном удалении от измерительной части схемы (рисунок 11.5).

Рисунок 11.5 – Схема простейшего ПСН: ,– измеряемое и образцовое сопротивления, соответственно; ,– сопротивления проводов линии связи; – образцовое напряжение

Из этого следует: при условии ,

где .

Откуда реально ,

т.е. вносится погрешность влияния сопротивления соединительных проводов.

Существенно уменьшить эту погрешность можно, используя трехпроводную линию, как показано на рисунке 11.6. В этом случае третий провод передает лишь потенциал на инвертирующий вход ОУ, поскольку его сопротивление чрезвычайно мало по сравнению с входным сопротивлением ОУ. Сопротивление обычно много меньше образцового и также перестает существенно влиять на погрешность, кроме того, справедливо и неравенство . При этих практически реальных условиях можно показать, что

,

т.е. практически всегда можно обеспечить равенство

и в этом случае результат измерения будет близок к идеальному.

Рисунок 11.6 – Схема ПСН с трехпроводной линией: , , – сопротивления проводов

Схемы генераторов и формирователей на базе ОУ.

В генераторных схемах ОУ охвачен положительной обратной связью, обеспечивающей выполнение двух условий возникновения автоколебаний: условия баланса амплитуд и условия баланса фаз. Для положительной обратной связи формула, связывающая внешний и внутренний коэффициенты усиления с коэффициентом обратной связи, выглядит следующим образом:

.

Для возникновения автоколебаний произведение коэффициента обратной связи на внутренний коэффициент усиления (петлевое усиление) должно быть равно единице. В этом случае внешний коэффициент усиления стремится к бесконечно большой величине, т.е. возникают автоколебания. Поскольку величины коэффициентов, входящих в формулу петлевого усиления, являются комплексными, то для выполнения равенства

необходимо обеспечить равенство единице произведения действительных частей коэффициентов: (условие баланса амплитуд), амплитуда сигнала обратной связи должна быть достаточной для поддержания колебаний. Кроме того, необходимо обеспечить равенство нулю (или 2π, 4π...) фазового сдвига между напряжением на входе усилителя и напряжением обратной связи, т.е. должно выполняться равенство

(условие баланса фаз),

где , – фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью обратной связи соответственно.

Гармонические генераторы на ОУ.

Схема генератора синусоидального напряжения с RC-времязадающей цепью (мостом Вина) приведена на рисунке 11.7

.

Рисунок 11.7 – Схема гармонического генератора с мостом Вина

В схеме моста Вина сопротивления резисторов и емкости конденсаторов одинаковы: , – и служат цепью положительной обратной связи. Условие баланса фаз соблюдаются на частоте

.

Модуль коэффициента передачи моста Вина , таким образом, условие баланса амплитуд будет выполнено, если коэффициент усиления операционного усилителя будет не менее трех единиц, что обеспечивается вспомогательной цепью отрицательной обратной связи ( , ). Схемы такого типа применяются при низких требованиях к стабильности частоты не слишком высоки.

2. Релаксационные формирователи и генераторы. Усилители с преобразованием спектра входного сигнала. Интегральное исполнение операционных усилителей и компараторов.

Релаксационные формирователи и генераторы.

Принцип работы релаксационных формирователей и генераторов на базе операционных усилителей основан на использование процессов заряд–разряда (релаксаций) конденсаторов -цепей. При этом заданное время релаксаций реализуется как параметрами самой -цепи, так и величиной порогового напряжения срабатывания, устанавливаемого на одном из входов операционного усилителя. Операционный усилитель в данном случае используется в режиме компаратора. Наибольшее распространение получили две схемы этого типа, приведенные далее. Релаксационный генератор (мультивибратор) (рисунок 11.8) формирует последовательность прямоугольных разнополярных импульсов заданной длительности и скважности (рисунок 11.9).

Рисунок 11.8 – Схема мультивибратора

Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте, начальный участок которой близок по форме к линейной зависимости. В момент дифференциальное входное напряжение ОУ изменяет знак на противоположный и напряжение на выходе ОУ скачкообразно (благодаря действию положительной обратной связи) изменяет полярность.

Рисунок 11.9 – Релаксационные процессы в мультивибраторе:

– напряжение положительной обратной связи; – пороговое напряжение, – напряжение насыщения; , , – длительности периода, импульса и паузы соответственно; – напряжение на конденсаторе

Таким образом, мультивибратор может находиться в одном из двух квазиустойчивых состояний, в течение которых формируются длительности импульса и паузы. Пользуясь известными соотношениями для линейных -цепей первого порядка, можно найти временные интервалы релаксаций для данной схемы:

.

Обычно принимается условие: , тогда получим:

; .

В данном случае выходное напряжение представляет собой импульсную последовательность со скважностью, равной двум (меандр).

Ждущий мультивибратор (одновибратор)предназначен дляформирования одиночного выходного импульса заданной длительности при поступлении на вход импульса запуска. Одновибратор имеет одно устойчивое состояние (до поступления запускающего импульса) и одно квазиустойчивое, в течение которого формируется выходной импульс напряжения.

Усилители с преобразованием спектра входного сигнала относятся к классу усилителей постоянного тока. В структуре усилителя имеется преобразователь низкочастотного входного сигнала в высокочастотный, модулированный по амплитуде – модулятор, усилитель переменного напряжения до нормированного значения, демодулятор с фильтром низкой частоты, выделяющий огибающую АМ-напряжения. Поэтому такие усилители (рисунок 11.10) принято называть МДМ (модулятор–демодулятор).

Рисунок 11.10 – Структурная схема усилителя типа МДМ

Напряжение на выходе МДМ повторяет форму входного сигнала, не содержит в спектре высокочастотных составляющих и равно по величине входному напряжению, умноженному на заданный коэффициент усиления. Достоинства: малый дрейф выходного напряжения, т.к. основное усиление сигнала обеспечивается усилителем переменного напряжения, не имеющим дрейфа из-за наличия разделительных конденсаторов. Недостатки: сравнительно узкая полоса пропускания на частоте входного сигнала. Лишены этого недостатка так называемые двухканальные усилители с более сложной структурной схемой, сочетающей достоинства усилителя МДМ, усилителя переменного сигнала и усилителя прямого усиления (рисунок 11.11). Из схемы видно, что разделение каналов по частоте позволяет усилить напряжение сигнала в каждом из них без погрешности, вносимой дрейфом, далее высоко- и низкочастотные составляющие поступают на вход усилителя прямого усиления с широкой полосой пропускания. Этот усилитель имеет дрейф выходного напряжения, однако, поскольку на его входе действует большой по напряжению сигнал, то коэффициент усиления может быть небольшим (близким к единице) и напряжение дрейфа оказывается пренебрежимо малым по сравнению с полезным выходным сигналом. В структуре двухканального усилителя присутствуют местные и общие отрицательные обратные связи, корректирующие его параметры.

Рис. 11.11. Двухканальный усилитель

Из схемы видно, что разделение каналов по частоте позволяет усилить напряжение сигнала в каждом из них без погрешности, вносимой дрейфом, далее высоко- и низкочастотные составляющие поступают на вход усилителя прямого усиления с широкой полосой пропускания. Этот усилитель имеет дрейф выходного напряжения, однако, поскольку на его входе действует большой по напряжению сигнал, то коэффициент усиления может быть небольшим (близким к единице) и напряжение дрейфа оказывается пренебрежимо малым по сравнению с полезным выходным сигналом. В структуре двухканального усилителя присутствуют местные и общие отрицательные обратные связи, корректирующие его параметры.

Интегральное исполнение операционных усилителей и компараторов.

Среди операционных усилителей можно выделить следующие классификационные группы:

· общего назначения – обладают совокупностью параметров, отвечающих требованиям большинства схем преобразователей на их базе. К основным сериям интегральных схем (ИС) этого тип относятся: К140, К553, К554, КР140, КР554, КР574, КР1409;

· прецизионные – отличаются улучшенными параметрами: разность входных токов может достигать сверхмалых значений, например, КР1409УД1В); напряжение смещения – до 2мкВ (КР140УД1408А); температурный дрейф напряжения смещен до 0,05мкВ/°С (140УД24);

· малошумящие – имеют пониженное значение нормированной шумовой ЭДС, значение которой находится в диапазоне 2...15 нВ/Гц, усилители этого типа имеют также повышенное значение коэффициента усиления. К ним относят следующие типы: КР140УД25,26; КР1407УД1,3; КР1434УД1;

· быстродействующие – имеют повышенное значение частоты единичного усиления в диапазоне от 5 до 100 МГц (типовое значение 15...20 МГц). К ним относят: КР140УД 11,1101,22, КР574УД1,2,3 (А...Г), КР154УДЗ,4;

· маломощные – отличаются низким значением потребляемого тока в диапазоне 15...800 мкА, к ним относят: КР154УД1А,Б (15 мкА);

· программируемые – имеют вход для установки необходимого тока потребления от источника питания, типичные представители этой группы – К1401УДЗ, КР1407УД2, К1423УД1, КР140УД1208;

· высоковольтные – отличаются повышенным напряжением питания В (КР1408УД1);

· мощные – отличаются повышенным значением выходного тока 300...500 мА (К157УД1, К1040УД2);

· многоканальные – в составе одной микросхемы имеется несколько операционных усилителей, например двухканальные усилители: КР140УД20А,Б, КР544УД4, КР574УД2 (А... Г), КР1434УД1 (А... В); четырехканальные: К1401УД2А,Б, КР1401УДЗ,4, КР1435УД2,3.

Интегральные компараторы напряжения выполняются на базе операционных усилителей, они имеют малое время переключения выходного напряжения из состояния высокого (низкого) уровня в состояние низкого (высокого) уровня. Время переключения для разных типов компараторов находится в диапазоне от 12 до 300 нс. ИС содержащие компараторы – К554СА2,3,4, КР597СА2; КР1040СА1, К1401САЗ, К554СА1,6, К597САЗ; К1401СА1, К1121СА1, К1401УД6, КФ1032УД1.

Контрольные вопросы

1 Каковы основные свойства повторителя на базе ОУ?

2 На чем основан принцип работы интегратора на базе ОУ?

3 Для чего в активных фильтрах используется ОУ?

4 Для каких цепей применяется третий провод при дистанционном измерении сопротивления?

5 Какие условия необходимы для перевода ОУ в режим гармонического автогенератора?

6 Какими элементами схемы определяются временные характеристики выходной последовательности импульсов релаксационного генератора на базе ОУ?

7 Каково назначение ждущего мультивибратора?

8 В каком режиме работает ОУ в релаксационных генераторах и формирователях?

9 В чем заключаются достоинства УПТ типа МДМ?

10 В каких случаях целесообразно использование двухканального измерительного усилителя?

11 Приведите примеры нескольких современных серий ОУ в интегральном исполнении.

Лекция 12