Операционные усилители. Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Операционные усилители. Прежде чем перейти к анализу принципа действия схем цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, коротко рассмотрим важнейший элемент интегральной техники — операционный усилитель (ОУ), на котором, в частности, построены современные компараторы (устройства сравнения).

Операционным усилителем называют высококачественный интегральный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (10⁶... 10⁷), высокое входное (сотни мегаом) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления. Условное графическое обозначение ОУ показано на (рис. 8.3 а).

По отношению к выходу один из входов ОУ является неинвертирующимU_н, а другой — инвертирующимU_и; последний обозначается знаком инверсии (кружок на входе ОУ). Питание ОУ осуществляется от двух одинаковых разнополярных источников +U_п и –U_п (на графических обозначениях источники питания обычно не показывают). При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярными, а нулевым входным сигналам соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу — разности входных напряжений U_н ‒ U_и.

Коэффициент усиления по напряжению — K₀ собственно ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:

K₀ = .

Передаточные характеристики (рис. 8.3 б) имеют важнейшее значение для ОУ. Если усиливаемый сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного напряжения (линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлении неинвертирующегознак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2).

Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжениюK₀. Горизонтальные участки передаточных характеристик соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ, поэтому выходное напряжение

±U_вых = ≈ ±U_п.

В теории интегральной усилительной техники в целях упрощения анализа и расчета схем на операционных усилителях вводят понятие «идеальный» ОУ, для которого справедливы следующие допущения: бесконечно большие коэффициент усиленияK₀ = ∞, входное сопротивлениеR_вx0 = ∞ и нулевое выходное сопротивлениеR_вых0 = 0. Из этих допущений вытекают два основных свойства (правила анализа) ОУ.

1. Дифференциальный входной сигнал равен нулю:

U₀ = = = 0.

2. Входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала:

I₀ = = = 0.

Изложенное ранее понятие идеального ОУ соответствует так называемому принципу виртуального (кажущегося) замыкания его инвертирующего и неинвертирующего входов. При виртуальном замыкании, как и при физическом (обычном), напряжение между соединенными зажимами равно нулю. Вместе с тем в отличие от физического замыкания ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет. Иначе говоря, для тока виртуальное замыкание зажимов эквивалентно разрыву электрической цепи.

В зависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешних элементов можно получить две фундаментальные схемы включения: инвертирующую и неинвертирующую. Любое схемотехническое решение с применением ОУ базируется на этих включениях. Одно из них осуществлено в компараторе.

Компаратор — устройство, осуществляющее сравнение двух аналоговых напряжений. В простейшей схеме компаратора входное напряжение сравнивается с некоторым опорным, в качестве которого используется часть выходного напряжения (рис. 8.4 а).

На инвертирующий вход ОУ поступает входное напряжение, а на неинвертирующий вход подается опорное напряжение U_оп = U_н = βU_m, снимаемое с делителя R1, R2. Таким образом, ОУ охвачен положительной обратной связью по неинвертирующему входу, и выходное напряжение скачком изменяет свою полярность при сравнении входного и опорного напряжений.

Принцип действия компаратора рассмотрим с помощью передаточной характеристики — зависимости выходного напряжения от входного (рис. 8.4 б). Пусть входное напряжение U_вх = 0, а выходное U_вых = , (точка 1 на рис. 8.4 б). При этом напряжение на неинвертирующем входе

U_н = β ,

где β — коэффициент передачи резистивной цепиR1, R2 положительной обратной связи в компараторе, β = R1/(R1 + R2).

Если входное напряжение больше нуля и увеличивается, то при сравнении его амплитуды с опорным, равным напряжению срабатыванияU_ср = β , компаратор переключается. При этом произойдет скачкообразное изменение выходного напряжения со значения на значение (переход от точки 2 к точке 3 на рис. 8.4 б). Дальнейшее увеличение входного напряжения не изменит состояния компаратора, и напряжение на неинвертирующем входе ОУ будет также постоянным: U_н = β . При уменьшении входного напряжения до значения опорного, равного напряжению отпусканияU_отп = U_вх = β , произойдет скачкообразный возврат компаратора в исходное состояние. Выходное напряжение при этом изменится с на , (переход от точки 4 к точке 5 на рис. 8.4 б).

Таким образом, передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистерезиса. Такой компаратор обладает триггерным (переключающим) эффектом, и в радиоэлектронике его называют триггером Шмитта. Сумма напряжений срабатывания и отпускания

U_г = U_ср + U_отп = 2βU_m,

является напряжением гистерезиса. Оно вводится для повышения помехоустойчивости, что позволяет устранить «дребезг» триггера, т.е. случайное его переключение напряжением помех при отсутствии входного сигнала.

В компараторе на ОУ амплитуда выходного напряжения практически равна напряжению питания:

U_вых = ≈ ±U_п.

Компараторы применяют для формирования сигналов прямоугольной формы из различных видов непрерывных сигналов. В частности, при подаче на вход компаратора синусоидального напряжения (рис. 8.5) на его выходе формируется симметричное прямоугольное колебание — меандр (от др. греч. μεαvδρ — узор, геометрический орнамент).

Пусть в момент времени t = 0 напряжение на выходе компаратора U = . В таком состоянии компаратор будет находиться, пока амплитуда входного напряжения U_вх < U_cp. В момент времени t = t₁ входное напряжение станет U_вх = U_ср и компаратор переключится. При этом выходное напряжение U_вых скачком изменится со значения на значение . В момент времени t = t₂ входное напряжение станет равным напряжению отпускания U_отп, и произойдет новое переключение компаратора.

Цифроаналоговые преобразователи. Принцип действия четырехразрядного ЦАП иллюстрируется с помощью простейшей схемы на ОУ, представленной на (рис. 8.6).

Основу схемы составляет матрица резисторов с источником постоянного напряженияE, соединенных с инвертирующим входом ОУ ключами, которые управляются двоичным кодом (например, выходным кодом счетчика). В зависимости от поступающего кода цифрового сигнала подключаются резисторы с различными номиналами сопротивлений. В схеме ключи замыкаются только при поступлении на них команд, соответствующих логической единице. Коэффициенты усиления инвертирующего усилителя по входам 2⁰, 2¹, 2² и 2³ соответственно:

K₀ = ‒R₀Q₀/R; K₁ = ‒2R₀Q₁/R; K₂ = ‒4R₀Q₂/R; K₃ = ‒8R₀Q₃/R.

Здесь Q₀, Q₁, Q₂, Q₃ — кодовые числа, принимающие два значения: либо 1 (ключ замкнут), либо 0 (ключ разомкнут).

Из формулы следует, что четырехразрядный двоичный код преобразуется в выходное напряжение, изменяющееся по амплитуде от 0 до 15∆ (напомним, что ∆ — шаг квантования). Например, двоичному числу 1001 соответствует выходное напряжение U_вых1 = ∆(1∙1 + 2∙0 + 4∙0 + 8∙1) = 9∆, а числу 1100 — U_вых2 = 12∆. Поскольку на вход резистивной матрицы подается постоянное напряжение E, то выходное напряжение ЦАП изменяется скачками при переключении кода цифрового сигнала. Сглаживание выходного сигнала осуществляется фильтром низкой частоты (ФНЧ).

Аналого-цифровые преобразователи. По своей структуре они более сложны, чем ЦАП, причем последние часто являются основным узлом АЦП. В настоящее время существуют три различных метода построения схем АЦП: последовательный, параллельный и последовательно-параллельный.

Последовательный (последовательного счета) метод построения АЦП (рис. 8.7) основан на подсчете числа суммирований опорного напряжения младшего разряда, необходимого для получения напряжения, равного входному. При этом k-разрядный двоичный код одного отсчета определяется в схеме за 2^kинтервалов дискретизации.

Начало преобразования входного непрерывного сигнала определяется временем поступления импульса запуска, который через RS-триггер T и логический элемент И подключает выход генератора тактовых (счетных) импульсов M к счетчику Сч. Схема ЦАП D/A, куда поступает цифровой код со счетчика, формирует выходное напряжениеU_вых, которое сравнивается в компараторе K с входным напряжением U_вх. При сравнении этих напряжений компаратор через логический элемент И выдаст сигнал прекращения подачи на счетчик Сч тактовых импульсов. В результате осуществляется считывание со счетчика выходного четырехразрядного кода, представляющего в момент окончания преобразования цифровой эквивалент выходного напряжения. В описанном АЦП значения выходного цифрового кода в процессе преобразования многократно изменяются, поэтому он обладает низким быстродействием.

Действие параллельных (по методу считывания) k-разрядных АЦП основано на использовании 2^k ‒ 1 компараторов (рис. 8.8). Неинвертирующие входы ОУ компараторов объединены, и на них подается непрерывный сигнал, а к каждому инвертирующему входу подключено индивидуальное опорное напряжение, снимаемое с резистивного делителя. Разность между опорным напряжением двух соседних компараторов равна шагу квантования ∆ = U_оп/2^k. Компараторы, у которых входное напряжение превысит соответствующее опорное напряжение, вырабатывают логическую 1, а остальные — логический 0. Информация с выходов компараторов поступает на шифратор CD, который преобразует ее в двоичный код.

Параллельные схемы обладают наибольшим быстродействием среди других типов АЦП. Однако для повышения точности измерений и уменьшения мощности шумов квантования в параллельных АЦП требуется увеличение числа компараторов.

В последовательно-параллельных схемах АЦП используется сочетание методов последовательного и параллельного преобразования сигналов, что существенно увеличивает быстродействие последовательныхпреобразователей и уменьшает объем параллельных. Структурная схема шестиразрядного АЦП данного типа, в которой используются два трехразрядных параллельных АЦП, один трехразрядный ЦАП и сумматор ∑, показана на (рис. 8.9).

Аналого-цифровой преобразователь формирует из входного напряжения три старших разряда выходного кода, соответствующие значениям 2³, 2⁴ и 2⁵. Эти разряды поступают на вход трехразрядного ЦАП, в котором они вновь преобразуются в аналоговое напряжение, отличающееся от входного напряжения U_вх на величину погрешности преобразования схемы АЦП 1. Аналоговое напряжение с выхода схемы ЦАП подается на сумматор ∑, где оно вычитается из входного напряженияU_вх. Полученное разностное напряжение подается на АЦП 2, в котором оно преобразуется в три младших цифровых разряда 2², 2¹, 2⁰ выходного кода преобразователя.

В последние годы получили применение аналого-дискретные измерительные приборы. В отличие от ЦИП в них используют квазианалоговые отсчетные устройства, в которых роль указателя выполняет светящаяся полоса или светящаяся точка, меняющие дискретно свою длину (полоса) или положение (точка) относительно шкалы. Квазианалоговые отсчетные устройства управляются кодом. Такие приборы сочетают в себе достоинства аналоговых приборов и ЦИП.

Контрольные вопросы

1Что называется цифровым измерительным прибором? Какие разновидности ЦИП существуют?

2Каковы основные классификационные признаки ЦИП?

3Какие технические характеристики ЦИП определяют их возможности?

4Какова структурная схема ЦИП? Как выглядит векторная диаграмма ЦИП развертывающего и следящего типов?

5Что такое операционный усилитель? Каковы его схема включения и передаточные характеристики?

6Каковы назначение компаратора и его передаточные характеристики?

7В чем состоит принцип работы ЦАП? Приведите его схему.

8Каково назначение АЦП? Как выглядят структурные схемы параллельного, последовательного и параллельно-последовательного АЦП?