Генераторы син-х колебаний

УПТ

Постоянного тока усилитель транзисторный или ламповый усилитель сколь угодно медленно меняющихся электрических сигналов. П. т. у. обычно используют в приборах измерительной техники и автоматики (в сочетании с разного рода датчиками, например фотоэлементом, термопарой и др.), при измерении малых токов и зарядов (так называемый электрометрический П. т. у.), а также в электронных аналоговых вычислительных машинах — в качестве операционных усилителей. При проектировании и эксплуатации П. т. у. особое внимание уделяют уменьшению медленных изменений (дрейфа) выходного напряжения или тока в отсутствие входного сигнала, которые обусловлены рядом неконтролируемых факторов: старением элементов усилителя, колебаниями температуры окружающей среды и напряжения электропитания и др

У современных (1975) П. т. у. — интегральных операционных усилителей коэффициент усиления доходит до 10⁶, их полоса пропускания в пределах от 0 до 100 Мгц, а дрейф в течение длительного времени (несколько десятков часов) и в широком диапазоне температур (от —60 до +100 °С) не превышает нескольких десятков мкв.

Основные сведения ОУ

Свое название операционные усилители (ОУ) получили из-за того, что первоначально применялись для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Первые ОУ, использующиеся в аналоговых вычислительных машинах на лампах, работали с напряжениями порядка ±100В. Интегральные ОУ унаследовали прежнее название от своих предшественников и очень широко распространены в аналоговой схемотехнике. В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

Структурная схема. Операционный усилитель, выполненный в виде интегральной микросхемы, имеет в своем составе (см. рис. 1): дифференциальный входной каскад (ДВК), промежуточные каскады усиления (ПКУ) и оконечный каскад (ОК).

Дифференциальный каскад обеспечивает: большой коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов (дифференциальному сигналу), малый коэффициент усиления относительно синфазных помех, малый дрейф нуля и большое входное сопротивление. Промежуточные каскады позволяют: получить большое усиление напряжения сигнала, изменить на 180° или сохранить нулевым фазовый сдвиг усиливаемого сигнала. В качестве промежуточных каскадов используют дифференциальные или однополюсные каскады. Оконечный каскад обеспечивает: малое выходное сопротивление и достаточную мощность сигнала для низкоомной нагрузки, большое входное сопротивление. Последнее необходимо для сохранения большого коэффициента усиления напряжения промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используют эмиттерный повторитель.

Обозначение ОУ на принципиальных схемах. Любой ОУ имеет не менее пяти выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), два вывода для подключения питания и один выходной вывод. Варианты обозначения операционных усилителей на принципиальных схемах представлены на рис. 2 (1 – инвертирующий вход, 2 – неинвертирующий вход, 3 – выход, 4 и 5 – выводы для подключения источника питания).

Рис. 2. Обозначение ОУ на принципиальных электрических схемах

Многие ОУ дополнительно имеют несколько выводов, не несущих функциональной нагрузки (вспомогательные), к которым подключаются цепи коррекции АЧХ (метки FC), цепи для подключения элементов балансировки по постоянному току (метки NC), а также вывод металлического корпуса (.) для соединения с общим проводом устройства, в которое входит ОУ.

Подключение ОУ к источнику питания. В общем случае для работы операционного усилителя требуется двухполярный (расщепленный) источник питания; типичные значения напряжений источника составляют ±6 В; ±12 В; ±15 В (иногда ±18 В). Схема подключения ОУ к двухполярному источнику питания и нагрузке представлена на рис.

В ряде случаев для питания ОУ используется несимметричное питание, например +12 и

–6 В, или даже однополярное питание, например, +30 В и земля.

Входное и выходное напряжения. Выходное напряжение ОУ зависит от разности напряжений на его входах напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах усилителя. Поэтому для ОУ справедливо:

где K – коэффициент усиления ОУ без обратной связи (разомкнутого усилителя).

Идеальный и реальный ОУ. Для идеального ОУ справедливо:

. Коэффициент усиления дифференциального сигнала K бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала.. Коэффициент усиления синфазного сигнала (напряжения общего для

обоих входов) K синф равен нулю.

. Сопротивление по обоим входам бесконечно велико.

. Отсутствует сдвиг нуля выходного напряжения.

. Скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.

. Дрейф (изменение во времени выходного напряжения) отсутствует.

Параметры реального ОУ несколько хуже.

Параметры и характеристики ОУ можно условно подразделить на

входные, выходные и характеристики передачи. К входным параметрам относятся: напряжение сдвига (напряжение сдвига нуля); токи смещения (входные токи); ток сдвига (разность входных токов);входные сопротивления; коэффициент ослабления синфазного сигнала (синфазного напряжения); диапазон синфазных входных напряжений; температурный дрейф напряжения смещения нуля; температурные дрейфы токов смещения и тока сдвига; напряжение шумов, приведенное ко входу; коэффициент

влияния нестабильности источника питания на напряжение сдвига.

Напряжение сдвига U сдв – это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя.

Токи смещения I см – обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада на биполярных

транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Другими словами, I см – это токи, потребляемые входами ОУ.

Ток сдвига I сдв – это разность токов, потребляемых входами ОУ.

Входные сопротивления в зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяются на дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида). Входное сопротивление для дифференциального сигнала R вх диф – это полное входное сопротивление со стороны любого входа, в то время как дру

гой вход соединен с общим выводом (заземлен).Входное сопротивление для синфазного сигнала R вх син характеризует изменение среднего входного тока при приложении к входам синфазного напряжения. Оно на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К ос синф определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения:

Являются узлами электронных устройств. Могут преобразовывать энергию источников питания в переменный ток заданной частоты.

Простейшая схема RC- генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе приведена на рис. 37а.

Рис. 37. RC- генератор синусоидальных колебаний

В качестве звена обратной связи использован полосовой RC- фильтр, частотные характеристики которого приведены на рис. 37 б. Здесь по оси абцисс отложена относительная частота W = w RC, поэтому средняя частота равна единице. Фазовый сдвиг на средней частоте y(1)=0. Следовательно, для выполнения условия баланса фаз выход звена обратной связи должен быть подключен к неинвертирующему входу ОУ. Коэффициент усиления полосового фильтра на средней частоте |b(1)|=1/3. Для выполнения условия баланса амплитуд ОУ по неинвертирующему входу должен иметь коэффициент усиления К=3. Поэтому R1=2R2 (43)

Для стабилизации амплитуды надо применять нелинейные элементы, стабилизирующие ООС.

Генераторы син. Колебаний выполняются с использованием LC цепей, но для НЧ ген-ров исп-ся RC-фильтр.

Чтобы генератор вырабатывал колебания определенной частоты, надо, чтобы произведение К*g = 1 на этой частоте. Условие самовозбуждения произведение К*g =1 разделяется на 2 составляющих:

- условие баланса амплитуд, требующее, чтобы модуль произведения Кg равнялся 1,

- условие баланса фаз, фазовые сдвиги сигналов, создаваемые усилителем и звеном ОС должны быть кратны 2*pi.

Это удается в том случае, если в качестве цепи обратной связи используется RC- цепочки или LC - контур, назначение которых - получить нулевой фазовый сдвиг на заданной частоте. Рассмотрим в качестве примера широко применяемый RC- генератор с мостом Вина. Схема RС - генератора с мостом Вина представлена на рис.

Рис. Схема RС - генератора с мостом Вина.

Название - мост Вина - получила цепочка, состоящая из элементов Z1, Z2, которая в данном случае является цепью положительной ОС и обеспечивает условие баланса фаз, т.е. самовозбуждение на заданной частоте. Цепь отрицательной ОС, состоящая из резисторов Rос, R1,служит для обеспечения условия баланса амплитуд и для сохранения синусоидального характера колебаний.

8.Усилители мощности синусоидальных сигналов.

Усилитель мощности- это такой усилитель, для которого задается нагрузка. Нагрузкой может выступать исполнительные устройства информационно-управляющих систем: 1)электроакустические установки, обмотки реле и электродвигателей с частотным управлением 2)Входные цепи еще более мощных усилителей. Для увеличения нагрузоспособности логических схем.

Мощность каскада: произведение выходного тока на выходное напряжение. Поэтому с целью повышения КПД рабочий ток и напряжение на выходных транзисторах подбирают наиболее максимально. В результате это приводит к работе усилителя в нелинейной области, а это приводит к искажениям сигнала. Усилитель мощности должен обеспечивать определенную мощность при высоком КПД при допустимых искажениях сигнала. Ус-ль должен обладать миним. Искажениями гармонич. Сигнала.

Мощ-ть рассеивания не должна превышать допустимую.

Режим А:

Этот режим характерен 2 особенностями:

1) Ток через силовой транзистор никогда не бывает равен 0;

2) Суммарная мощность потребления от источника питания- постоянна.

Специфика режима: применяют однотактные усилители мощности (весь период пропускания через силовой транзистор); самый простой способ включения нагрузки- безтрансформаторный.

Способы отделения пост. составляющей в цепи нагрузки:

1) Использовать разделяющий конденсатор

2) Использовать мостовую схему включения

Действительная мощность при максимальной амплитуде:

Мощность, рассеиваемая на транзисторе при входном гармоническом сигнале:

Потребление схемой мощности постоянно и не зависит от входного сигнала и нагрузки. КПД в режиме А: 6.25%.

Для повышения КПД, применяют трансформатор. Схему включения нагрузки. (Трансформатор подключается к коллектору)

Режим В:

Дата добавления: 2015-05-06