Контрольні завдання та запитання

1. Використовуючи довідкову літературу виберіть типи ОП, що забезпечують найбільший коефіцієнт підсилення, найбільший вхідний опір, найбільшу швидкодійність.

2. Які шляхи побудови ОП з ідеальними характеристиками?

3. Визначить допустиму швидкість спаду АЧХ ОП, якщо градація частоти задається в октавах.

4. Яку кількість каскадів повинен мати ідеальний ОП і чому?

5. При яких умовах передатна функція ОП визначається тільки параметрами зовнішнього кола?

6. Назвіть основні параметри та характеристики ОП.

7. Наведіть основні схеми включення ОП і охарактеризуйте тип зворотного зв'язку, що в них застосовується.

3 Аналогові пристрої, що здійснюють операції над сигналом

3.1 Інвертувальні схеми підсилювачів напруги

Досить часто на практиці застосовується інвертувальне включення, що являє собою схему включення ОП з паралельним ВЗЗ за напругою, рис.3.1.

Рисунок 3.1 – Інвертувальний підсилювач

Якщо вважати, що власний вхідний опір ОП досить великий, відомо, що в ідеальному ОП він прямує у нескінченність, то струм від джерела сигналу в ОП не протікає і дорівнює

.

Струм сигналу при вказаних умовах може протікати тільки через резистор , створюючи на ньому падіння напруги

.

Падіння напруги на резисторі з великою точністю дорівнює напрузі вихідного сигналу , тобто потенціал лівої (на схемі) точки резистора , що підключений до точки підсумовування струмів практично дорівнює нулю. В цій точці створюється, так званий, штучний нуль потенціалу у схемі, чи, інакше, точка штучного заземлення

.

Відповідно, коефіцієнт підсилення за напругою для цієї схеми буде дорівнювати

,

де – коефіцієнт зворотного паралельного зв'язку за напругою.

У першому наближенні можна вважати, що вхідний опір пристрою, на основі інвертувального включення ОП, з боку джерела сигналу, дорівнює

,

величина цього опору, як правило, не значна.

Вихідний імпеданс цієї схеми, як показано в табл. 2.2

.

Для балансування схеми за постійним струмом вмикається додатковий резистор .

З метою вилучення помилкової напруги, у випадку, коли ця схема працює як підсилювач постійного струму, необхідно строго забезпечити рівність сумарних опорів, що включені у кола неінвертувального і інвертувального входів ОП.

Найпростішою схемою використання ОП у інвертувальному включенні є інвертувальний повторювач вхідного сигналу, рис.3.2, де забезпечена умова .

Для цієї схеми , тому

,

тобто , .

Рисунок 3.2 – Інвертувальний повторювач

Для аналогового підсумовування сигналів (мікшер) використовується схема інвертувального підсумовувача, рис.3.3.

.

Схема регулювання коефіцієнта підсилення інвертувального підсилювача наведена на рис.3.4(а, б).

Рисунок 3.3 – Інвертувальний суматор

Рисунок 3.4 – Регулювання підсилення

Перша схема відрізняється тим, що при регулюванні змінюється її вхідний опір, а залежність коефіцієнта підсилення нелінійна. Для другої схеми (б) характеристика регулювання лінійна.

3.2 Неінвертувальні схеми підсилювачів напруги

Другою схемою включення ОП є неінвертувальне включення, рис.3.5. Ця схема є схемою включення ОП з послідовним зворотним зв'язком за напругою.

В цій схемі напруга зворотного зв'язку створюється подільником ,

,

Рисунок 3.5 – Неінвертувальний підсилювач

але оскільки напруга між входами ОП близька до нуля, можна вважати, що , тому ідеальний ОП має в цій схемі включення коефіцієнт підсилення за напругою

;

,

де – коефіцієнт передачі кола зворотного зв’язку.

Резистор вмикається в схему для балансування по вхідних струмах, у випадку якщо опір джерела сигналу великий .

Вхідний опір неінвертувального включення ОП з боку джерела сигналу досить значний

,

а вихідний опір малий

.

Схема неінвертувального повторювача (буферного підсилювача) наведена на рис.3.6.

Рисунок 3.6 – Неінвертувальний повторювач

В цій схемі і відповідно

.

Вхідний опір цієї схеми для змінного сигналу дорівнює

,

а вихідний відповідно

,

тобто прямує до нуля.

Неінвертувальний повторювач напруги застосовується для узгодження джерела сигналу з великим внутрішнім опором, з малим опором навантаження. Такий режим інколи зветься буферним.

На рис.3.7 наведена схема неінвертувального суматора двох сигналів, що має коефіцієнт підсилення 2.

Рисунок 3.7 – Неінвертувальний суматор

Схема підсилювача змінної напруги з великим вхідним опором і коефіцієнтом підсилення 11 наведена на рис.3.8.

Рисунок 3.8 – Підсилювач змінної напруги

3.3 Диференціальні схеми включення ОП

Диференціальна схема включення ОП, рис.3.9, є поєднанням інвертувальної і неінвертувальної схем.

Рисунок 3.9 – Диференціальне включення операційного підсилювача

Для пояснення принципу дії цієї схеми, треба мати на увазі, що різниця напруг між входами ОП приблизно дорівнює нулю, тобто , а струми сигналів не течуть на входи ОП. Для розрахунку коефіцієнта передачі цієї схеми необхідно скласти систему рівнянь. Для першого входу маємо

,

або

.

Для другого входу

,

враховуючи, що , то відповідно

,

або

.

Схема диференціального включення ОП з множенням різниці двох сигналів на коефіцієнт наведена на рис.3.10, вибір значення коефіцієнта здійснюється резисторами. Вихідна напруга у такому випадку дорівнює

.

Диференціальне включення ОП дозволяє побудувати схему регулювання коефіцієнта підсилення, яка одночасно дозволяє змінювати знак передатної функції (це означає, що при крайніх положеннях бігунка сигнал змінює фазу), рис.3.11.

Якщо необхідно побудувати на ОП підсилювач змінної напруги з однополярним джерелом живлення, можна також використовувати варіанти диференціального включення ОП, рис.3.12.

Рисунок 3.10 – Диференціальний підсилювач

Рисунок 3.11 – Фазообертач

Рисунок 3.12 – Інвертувальний підсилювач з однополярним живленням

Наведена схема є для сигналу інвертувальною і має , але, коли , схема підсилює потенціал зміщення

,

для якого вона є не інвертувальною

.

Якщо вимагати, щоб стала складова вихідної напруги дорівнювала , то отримаємо

.

Спрощуючи вираз можна отримати співвідношення для розрахунку елементів схеми

.

Аналогічним чином може бути побудована неінвертувальна схема з однополярним джерелом живлення.

3.4 Інтегрувальний і диференціювальний підсилювачі

Як відомо, у випадку, якщо підсилення ОП досить значне, то передатна функція пристрою визначається тільки параметрами кола ЗЗ.

Якщо взяти за основу інвертувальне включення ОП і виконати провідності і (ВЗЗ) з різних з'єднань і , то з'являється можливість отримати будь–яку необхідну АЧХ. Таким чином може бути реалізований ФНЧ, ФВЧ, СФ і т.д.

Використовуючи у якості елементів ЗЗ , , рис.3.13, знайдемо коефіцієнт передачі такого пристрою

.

Вихідна напруга у такому випадку буде дорівнювати

.

Рисунок 3.13 – Інтегрувальний і диференцювальний підсилювач

Після переходу від зображення до оригіналу, враховуючи, що діленню зображення на оператор у часовій області відповідає інтегрування оригіналу, отримаємо

.

Тобто вихідна напруга такого пристрою пропорційна інтегралу вхідної. Якщо прикласти до входу інтегратора сталу напругу, то напруга на виході буде змінюватися лінійно у відповідності з виразом

.

Такий пристрій може виконувати функцію ФНЧ першого порядку.

Якщо до неінвертувального входу ОП додатково підключити пасивний інтегратор, то такий пристрій буде інтегрувати різницю вхідних напруг

,

для випадку, коли .

Схема диференціювального підсилювача може бути реалізована у випадку, якщо , а . Коефіцієнт передачі такого пристрою у операторній формі має вигляд

,

а вихідна напруга відповідно

.

Після перетворення відповідно отримаємо

,

тобто, вихідна напруга пропорційна диференціалу вхідної.

Вхідний опір такого підсилювача ємнісний, тому його стійкість досить низька. Для забезпечення стійкості виникає необхідність застосування спеціальних кіл корекції частотної характеристики. Дещо покращити стійкість можлна шляхом послідовного включення з ємністю С невеликого додаткового опору.

Такий пристрій може виконувати функцію ФВЧ першого порядку.

3.5 Логарифмічний та антилогарифмічний підсилювачі

Для реалізації операції логарифмування чи антилогарифмування (піднесення до степеня) ОП охоплюється нелінійним ЗЗ, рис.3.14.

У якості нелінійного елемента звичайно застосовуються діоди. Відомо, що залежність між напругою на такому діоді і струмом, що протікає через нього має вигляд

,

де – струм втрат діода (зворотнозміщеного p–n переходу); – напруга, що прикладена до діода; – коефіцієнт, що залежить від температури.

Рисунок 3.14 – Логарифмічний і антилогарифмічний підсилювач

Якщо включити діод у коло зворотного зв'язку і вважати ОП ідеальним, то струм, що протікає через цей діод буде дорівнювати

.

Після перетворень першого виразу маємо

,

,

.

Після підстановки другого виразу () отримаємо

,

враховуючи, що напруга на діоді ЗЗ дорівнює вихідній, відповідно маємо

,

Змінна складова вихідної напруги визначається першим доданком, тому можна вважати, що вихідна напруга пропорційна логарифму вхідної. Тобто, таким чином може бути побудований підсилювач з логарифмічною амплітудною характеристикою, такий пристрій призначений для компресії динамічного діапазону вхідного сигналу і, тому, інколи носить назву компресор. Для отримання вказаної залежності діод повинен працювати у режимі мікрострумів, тому резистор R, необхідно вибирати значного номіналу. Для розширення динамічного діапазону у таких підсилювачах може застосовуватись у колі ЗЗ p–n перехід транзистора (база – емітер). Така схема може працювати з сигналами різної полярності.

Якщо включити діод у коло прямої передачі, то можна отримати антилогарифмічний підсилювач, оскільки вихідна напруга у цій схемі буде дорівнювати

,

тобто, таким чином може бути побудований підсилювач з експоненціальною (показниковою) амплітудною характеристикою, тобто – експандер.

Експандер призначений для розширення динамічного діапазону сигналів і включається, як правило, на виході компресора. Сукупність компресор–експандер носить назву компандер і призначена для покращення шумових характеристик тракту передачі.

Разом з використанням схем з нелінійним ЗЗ є і інші методи отримання логарифмічної амплітудної характеристики, це так звані методи паралельного і послідовного підсумовування сигналів.

Прикладом реалізації логарифмічної характеристики таким методом є МС К174УП2. Логарифмічна характеристика у цьому випадку отримується методом кускової апроксимації необхідної амплітудної характеристики. Крутість підсилення () для кожного каскаду МС різна, що досягається за рахунок зниження рівня сигналу при використанні подільника сигналу. Підсумовуючи потім усі сигнали можна отримати необхідну результувальну амплітудну характеристику, рис.3. 15(а, б). За рахунок того, що реальні підсилювачі мають нелінійну

Рисунок 3.15 – Метод паралельного підсумовування сигналу

передатну характеристику, реальна характеристика є більш наближена до ідеальної. З використанням однієї МС К174УП2, що вміщує чотири каскади, можна реалізувати двоканальний логарифмічний підсилювач з динамічним діапазоном по вхідному сигналу 50 дБ, чи одноканальний 100 дБ.

3.6 Аналогові помножувачі та подільники

Розглянуті вище нелінійні підсилювачі знаходять широке застосування при нелінійній обробці сигналів, наприклад, перетворення частоти вимагає перемноження двох функцій сигналу і гетеродина. Виділення сигналу на фоні шуму потребує підсумовування квадратів сигналу і шуму з наступним усередненням цього результату. Така обробка сигналів може бути здійснена на основі вже розглянутих пристроїв.

Приклад використання пристроїв на ОП для вказаних вище цілей наведений на рис.3.16, 3.17.

Рисунок 3.16 – Піднесення до степеня

Рисунок 3.17 – Подільник сигналів

Для отримання добутку сигналів попередньо прологарифмований сигнал підсумовується. Для ділення різниця логарифмів потенціюється.

Окрім вказаних методів множення та ділення сигналів існують спеціалізовані помножувачі на МС, які умовно можна розділити на дві групи, інструментальні помножувачі та загального використання (двійний балансний змішувач). Перша група використовується у аналогових ЕОМ, а також у низькочастотних колах обробки сигналів і має високу точність множення і вузький діапазон частот (одиниці МГц). Друга група має низьку точність перемноження сигналів, але використовується на частотах від 0 до 100.0 МГц.

Вихідна напруга помножувача визначається виразом

,

де – масштабний коефіцієнт.

Точність множення може бути визначена з виразу

,

і складає 0.1 – 0.01 % у залежності від призначення помножувача.

Прикладом аналогових помножувачів сигналів можуть служити МС К525ПС1, К526ПС2, К174ПС1.

Контрольні завдання та запитання

1. Побудувати схему двокаскадного диференціального підсилювача на основі ОП. Забезпечити загальний коефіцієнт підсилення 100. Передбачити можливість балансування нуля схеми.

2. Спроектуйте інвертувальний підсилювач на ОП з коефіцієнтом підсилення 50, забезпечте його смугу пропускання 100 Гц – 50.0 кГц, вхідний опір не менше 100 кОм. Живлення однополярне. Тип ОП – К140УД7.

3. Визначить смугу пропускання неінвертувального підсилювача, якщо він виконаний на ОП К140УД7 і забезпечує коефіцієнт підсилення 20, значення розділового конденсатора 1.0 мкФ., вхідний опір 100 кОм.

4 Перетворювачі опору

4.1 Принципи конверсії та інверсії імпедансу

Дата добавления: 2014-01-06