Энергетические характеристики

Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Частотные характеристики

Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов - его скоростными или динамическими параметрами.

Многие типы ОУ общего и специального назначения имеют внутреннюю коррекцию, т.е. в схему таких ОУ включен конденсатор малой емкости (обычно 30пФ). Такой конденсатор внутренней частотной коррекции предотвращает генерацию ОУ на высоких частотах. Это происходит за счет уменьшения усиления ОУ с ростом частоты. Интервал частот, на котором частота изменяется в 10 раз, называется декадой. Изменение частоты в два раза называется октавой. Изготовители представляют частотную зависимость усиления ОУ без ОС в виде кривой, называемой амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ) без ОС.

На (рис. 1.7) представлена АЧХ, типичная для ОУ с внутренней коррекцией. На низких частотах коэффициент усиления без ОС очень велик. АЧХ имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза f_ср. Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. По граничной частоте f_гр, которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в корень квадратный из 2 раз, оценивают полосу пропускания частот усилителя, составляющую для современных ОУ десятки мегагерц.

Рис. 1.7

Частота f1, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления. Если разделить полосу единичного усиления на частоту входного сигнала, то получим в результате коэффициент усиления ОУ на данной частоте сигнала. Усиление без ОС на частоте равно полосе пропускания, деленной на частоту входного сигнала.

При составлении графиков частотных характеристик обычно используется логарифмический масштаб.

Коэффициент усиления по напряжению в децибелах равен: KдБ = 20 lg K, где K - числовое значение коэффициента усиления по напряжению.

Уменьшение коэффициента усиления с частотой называется спадом. Последовательная RC - цепь имеет скорость спада АЧХ 20 дБ/дек или 6дБ/окт.

Так как каждый усилительный каскад ОУ в простейшем случае представляется эквивалентной схемой, состоящей из последовательно соединенных R и C, то он также имеет скорость спада АЧХ 20дБ/дек. Для трехкаскадного ОУ коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов. При этом получается достаточно громоздкое выражение, поэтому часто пользуются весьма наглядной и простой для понимания диаграммой Боде - графиком зависимости десятичного логарифма Коэффициента усиления от десятичного логарифма частоты. Это удобно, так как значения коэффициентов усиления каскадов, выраженные в децибелах, можно складывать, вместо того чтобы их перемножать. Таким образом, АЧХ его каскадов можно получить, построив на одном графике АЧХ его каскадов и графически их сложив.

Так как интегральные ОУ без ОС практически не применяются, необходимо определить влияние ОС на АЧХ ОУ. Отрицательная ОС ограничивает коэффициент усиления ОУ и значительно расширяет полосу пропускания. Отметим, что отрицательная обратная связь не расширяет АЧХ ОУ, а граничная частота ОУ увеличивается за счет уменьшения коэффициента усиления усилителя.

Коэффициент усиления по контуру ОС, как видно из (рис. 1.8), есть разность между коэффициентами усиления ОУ без ОС и с ОС, выраженной в децибелах.

Рис. 1.8

В том случае когда скорость спада АЧХ ОУ составляет 20дБ/дек, произведение коэффициента усиления ОУ на частоту единичного усиления есть величина постоянная.

При усилении сигналов ОУ обычно охватывается отрицательной обратной связью по инвертирующему входу. Вследствие создаваемого усилителем в области высоких частот Фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазочастотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг (рис. 1.9).

Рис. 1.9

Для некоторой высокой частоты полный фазовый сдвиг становится равным 360°, что соответствует положительной обратной связи по инвертирующему входу на этой частоте, что приводит к самовозбуждению схемы. Для устранения самовозбуждения в ОУ вводят внешние корректирующие RC - цепи, позволяющие несколько изменить ход амплитудно - частотной и фазово - частотной характеристик.

Критерий устойчивости ОУ иногда выражается через запас устойчивости по фазе, который представляется в виде суммы фаз Ф = 180° + . Положительный запас устойчивости ОУ по фазе является показателем его устойчивости. Отрицательный запас по фазе характерен для неустойчивого ОУ. Для получения максимального быстродействия ОУ желательно иметь запас устойчивости по фазе около 45° .

Устойчивость ОУ можно оценить и по частоте, находящейся в полосе его пропускания. Если половина периода этой частоты равна времени задержки распространения сигнала по контуру ОС, то в ОУ возникают колебания.

В реальных условиях работы ОУ всегда имеют место паразитные эффекты и паразитные элементы, которые могут приводить к дополнительному увеличению сдвигов фазы по петле ОС и нарушать устойчивое состояние ОУ.

Для обеспечения устойчивой работы ОУ необходимо уменьшать запаздывание по фазе, т.е. корректировать АЧХ ОУ.

Скоростные характеристики

Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 1.10).

Рис. 1.10

Скорость нарастания выходного напряжения U_вых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1U_вых до 0,9U_вых. Время установления выходного напряжения t_уст оценивают интервалом времени, в течение которого выходное напряжение меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения. В ряде схем ОУ допускается введение корректирующих цепей, улучшающих параметры U_вых и t_уст. Для ОУ U_вых = 0.1:100 в/мкс, а t_уст = 0.05:2 мкс.

7. Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН).

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”.

Линейно изменяющимся(пилообразным) напряжением(ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню(рис.20.1)

ЛИН характеризуется следующими основными параметрами :периодом Т, длительностью рабочего хода Т_р, длительностью обратного хода Т_обр, амплитудой U_m, коэффициентом нелинейности

где |du/dt|_t=0 и |du/dt|_t=Tp − соответственно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода.В ГЛИН, используемых на практике, Т_р изменяется от десятых долей микросекунды до десятков секунд, U_m−от единиц до тысяч вольт, Т_обр−от 1 до 50% от Т_р. В большинстве реальных схем ε<1%.

Обычно линейное изменение напряжения получают при зарядке и разрядке конденсатора. Функциональная схема ГЛИН должна иметь вид, показанный на рис.20.2.

На рис.20.3,а приведена электрическая схема простейшего ГЛИН. На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами u_вх отрицательной полярности (рис.20.3,б). В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут) ,что обеспечивается выбором соотношения сопротивлений резисторов R_б и R_к. При воздействии входного импульса длительностью Т_р транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника +Е_к через резистор R_к. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте:u_c=E_к(1−e^-t/(RC)). По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор-эмиттер. Используя начальный участок экспоненты, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение U_m/E_к мало, в чем и состоит основной недостаток данной схемы.

Высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. На рис.20.4, приведена схема такого ГЛИН, выполненного на операционном усилителе.

8. Сглаживающие фильтры (ем­костные и индуктивные)

Сглаживающие фильтры

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для умень­шения пульсаций выпрямленного напряжения.

Коэф­фициенты пульсаций выпрямленных напряжений:

Для однополупериодного однофазного выпрямителя..... 1,57

» двухполупериодного однофазного выпрямителя..... 0,67

» трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом . . . 0,25

» трехфазного мостового выпрямителя.......... 0,057

С такими коэффициентами пульсаций выпрямленное напряжение в подавляющем большинстве случаев использовать нельзя, так как при этом работа электронных блоков и устройств резко ухуд­шается или вообще недопустима. В зависимости от назначения того или иного электронного блока (усилителя, генератора и т. д.), его места в электронном устройстве или системе (на входе, выходе и т. д.) коэффициент пульсаций напряжения питания не должен превышать определенных значений. Так, для основных каскадов ав­томатических систем он не должен превышать 10~2—10~3, для вы­ходных усилительных каскадов—10~4—10~5, для автогенерато­ров — 10~5—10~6, а для входных каскадов электронных измери­тельных устройств — 10~6—10~7. напряжения с

Основными элементами сглаживающих фильтров являются кон­денсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления ко­торых различны для постоянного и переменного токов. Для постоян­ного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а со противление индуктивной катушки очень мало. Сопротивление тран­зистора постоянному току (статическое сопротивление) на два-три порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Основным параметром, характеризующим эффек­тивность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

q = pвх/pвых

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падение постоянного напря­жения на элементах, минимальные габариты, массу, и стоимость.

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают ем­костные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и много­звенные.

Емкостные фильтры. Рис. 9.8. Схемы емкостных фильтров с однополупериодным (а) и мостовым (в) выпрямителями, временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с ем­костным фильтром

Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр включают параллельно нагрузочному резистору Rн (рис. 9.8, а) Работу емкостного фильтра удобно рас­сматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 9.8, б. В интервал времени t1— t2 конденсатор через открытый диод Д заряжается до амплитудного значения напряжения U2,так как в этот период напряжение u2>>uс. В это время ток ia = ic + in-В интервал времени t2-t3 когда напряжение U2 становится меньше напряжения на конденсаторе uс, конденсатор разряжается на нагрузочный резистор Rн, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе iн, которая имеется в однополупериодном вы­прямителе в отсутствие фильтра.

Индуктивные фильтры. Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя Lф включают последовательно с нагрузочным резистором Rн (рис. 9.9, а). Он, так же как емкостный фильтр, относится к типу однозвенных фильтров. Работу индуктивного фильтра удобно рас­смотреть с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 9.9, б. Анализ временных диаграмм показывает, что ток iн нагрузоч­ного резистора Rн получается сглаженным. Действительно, вследст­вие того , что ток в цепи с дросселем во время переходного процесса, обусловленного положительной полуволной выпрямляемого напря­жения u2, зависит от постоянной времени t==Lф/Rн длительность импульса тока увеличивается с ростом t. Коэффициент пульсаций определяется простым соотношением

р = 2лfоснLф/Rн (9.20).

Анализ выражения (9.20). позволяет сделать вывод, что фильтр будет работать тем эффективнее, чем больше Lф или меньше Rн

Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрями­телях средней и большой мощностей, т. е. в выпрямителях, рабо-

а)

Рис. 9.9. Схема индуктивного фильтра с однополупериодным выпрямителем (а), временные диаграммы напряжения и токов однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (б)

тающих на нагрузочные устройства с большими токами. В выпрями­телях малой мощности использование индуктивного фильтра L^ нецелесообразно, поскольку они работают на высокоомные нагру­зочные устройства. При этом выполнение условия

Рис. 9.10. Схемы Г-образных LC-фильтра (а) и RC-фильтра (б)

приводит к необходимости включения дросселя с большими массой и габаритами, что является существенным недостатком индуктивного фильтра по сравнению с емкостным.

9. Логические элементы: определения, обозначения, логические функции.

Логическая функция - это функция логических переменных, которая может принимать только два значения : 0 или 1.

Логический элемент - это устройство, реализующее ту или иную логическую функцию.

Y=f(X1,X2,X3,...,Xn) - логическая функция, она может быть задана таблицей, которая называется таблицей истинности.

Число строк в таблице - это число возможных наборов значений аргументов. Оно равно 2ⁿ, где n - число переменных.