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.

59. Операционный усилитель

Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас U_вых= K*U_вх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления ;) И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

U_out=(U₂-U₁)*K

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится: Компаратор Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про использование аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП. Также компаратор замечательно используется для создания всяких ШИМ сигналов.

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Повторитель И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U₁, на инверсном входе U_out = U₁. Ну и получается, что U_out= U₁.

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки. В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U₁ на прямом. На инверсном U_out/2 = U₁ или U_out = 2*U₁.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

U_out = U₁*(1+R₁/R₂)

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

58.

Электронно-лучевая трубка

Электронно-лучевая трубка представляет собой электронно-лучевой прибор для осциллографии, приёма телевизионных изображений, электронно-лучевых коммуникаторов и ряда других областей техники. Во всех этих приборах создается тонкий пучок электронов (электронный луч), управляемый с помощью электрических или магнитных полей. Существует большое разнообразие электронно-лучевых трубок. Они могут быть с фокусировкой электронного луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча; электронно-лучевые трубки бывают с различными цветами изображения на люминесцирующем экране; с различной длительностью свечения экрана (так называемое послесвечение). Они различаются также по размерам экрана, материалом баллона и другим признакам.

8.3.1. Устройство электростатической электронно-лучевой трубки

Этот вид электронно-лучевой трубки с системой фокусировки и отклонения электронного луча при помощи электрического поля, который нашёл наиболее широкое применение в различных устройствах для осциллографирования быстро протекающих процессов.

Устройство этого прибора изображено на рис. 8.7.

Баллон трубки имеет цилиндрическую форму с расширением в виде конуса. На внутреннюю поверхность основания расширенной части 10 нанесён люминесцирующий экран – слой вещества, способного давать свечение под ударами быстро летящих электронов. Внутри трубки расположены электроды, имеющие выводы на штырьки цоколя.

Рис. 8.7. Устройство электронно-лучевой трубки (а), условное обозначение (б): 1 – нить накала; 2 – катод; 3 – модулятор; 4 – ускоряющий электрод; 5, 6 – первый и второй аноды; 7, 8 – отклоняющие пластины; 9 – экранирующее покрытие; 10 – экран; 11 – стеклянная колба

Катод 2 предназначен для создания эмиссии электронов; выполняется в виде цилиндра, внутри которого располагается подогреватель в виде нити накала 1. На донышко катода наносится оксидный слой – смесь окислов щелочных металлов, который снижает работу выхода электрона из металла и улучшает, таким образом, эмиссионную способность катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором 3, цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для его предварительной фокусировки. На модулятор подаётся небольшое отрицательное напряжение относительно катода.

Следующие электроды 5 и 6 также цилиндрической формы называются анодами. В простейшем случае их только два. На второй анод 6 подаётся очень высокое напряжение относительно катода 1, а на первом аноде 5 напряжение несколько меньше. Внутри анодов обычно устанавливают перегородки с отверстиями, называемые диафрагмами.

Под действием высокого напряжения, подаваемого на аноды 5 и 6, возникает сильное электрическое поле. При включении подогрева катода 2 он нагревается и начинает эмитировать электроны. Под действием сильного электрического поля электроны начинают разгоняться, причём, поскольку на их пути стоит модулятор 3 с отрицательным потенциалом относительно катода, то они испытывают с его стороны отталкивающее, тормозящее действие. Поэтому электроны преодолевают модулятор по самому центру его отверстия, собираясь в узкий пучок. Если увеличивать отрицательный потенциал модулятора, то всё меньшее количество электронов будет проходить через его отверстие, а при некотором значении этого потенциала электронный поток вообще прекратится, так как все электроны будут отталкиваться модулятором назад к катоду. Если электроны преодолели модулятор, то затем они будут ускоренно двигаться по направлению к анодам, но поскольку напряжение на втором аноде 6 значительно выше, чем на первом, от электроны пролетают первый анод насквозь, причём, пролетая сквозь диафрагмы с отверстиями, электроны подвергаются действию электрических полей этих диафрагм, которые играют роль электронных линз, обеспечивающих окончательную фокусировку электронного луча. Скорость электронов возрастает настолько, что они пролетают насквозь и второй анод и продолжают движение к люминесцирующему экрану 10.

Рассмотренное устройство, состоящее из катода, модулятора и анодов, называется электронной пушкой. Далее на пути следования электронного луча устанавливают две пары металлических отклоняющих пластин, вертикальных 7 и горизонтальных 8. Разность потенциалов, подаваемая на две пластины, заставляет электронный луч отклоняться в сторону положительной пластины.

Таким образом, две пары отклоняющих пластин позволяют управлять электронным лучом в горизонтальной и вертикальной плоскости. Попадая на экран, поток быстролетящих электронов вызывает свечение люминофора, и на экране будет видно светящееся пятно, которое можно перемещать в любую точку экрана и изменять интенсивность его свечения.

Электроны, попадая на экран, передают ему свой заряд, и в результате создаётся электрическое поле, тормозящее движение электронов. Яркость свечения станет уменьшаться и может вообще прекратиться попадание электронов на экран. Поэтому необходимо отводить отрицательный заряд с экрана. Для этого служит экранирующее покрытие 9. Это слой графита, который наносится на внутреннюю поверхность баллона и соединяется со вторым анодом 6. Электроны, попадая на экран с большой скоростью, выбивают с его поверхности вторичные электроны, которые тут же направляются к проводящему слою. Поэтому потенциал на экране и на проводящем слое примерно одинаковый. Цепи питания электронно-лучевой трубки показаны на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Схема подачи напряжения на электронно-лучевую трубку

Постоянные напряжения на электроды подаются от двух источников с напряжениями   и  . Источник   должен быть высоковольтным, а   – низковольтным. Питание электронной пушки осуществляется через делитель напряжения  . Потенциометр   является регулятором яркости. С его помощью изменяется отрицательный потенциал модулятора.

Для фокусировки электронного луча служит потенциометр  . Следует отметить, что системе питания электронно-лучевой трубки обычно заземляется положительный электрод высоковольтного источника  , а на катоде и особенно на модуляторе, следовательно, будет большой отрицательный потенциал. Поэтому при работе с электроннолучевой трубкой следует соблюдать осторожность и не допускать соприкосновения с этими электродами во избежание поражения электрическим током.

Питание отклоняющей системы осуществляется от источника   через делитель напряжения   и потенциометры   и  , при помощи которых устанавливают среднее положение луча. Если теперь на горизонтальные отклоняющие пластины подавать с какой-либо частотой пилообразное напряжение (линейно возрастающее напряжение), то тогда луч будет совершать в горизонтальном направлении возвратно- поступательные движения, называемые развёрткой. Если же теперь подать на вертикально отклоняющие пластины какой-то исследуемый электрический сигнал, то на экране электронно-лучевой трубки можно будет наблюдать графическое изображение этого сигнала во времени.

Этот принцип широко используется в осциллографах для визуального наблюдения исследуемых сигналов. Подбирая частоту напряжения развёртки равной или кратной частоте исследуемого сигнала, можно получить на экране неподвижную во времени картину его изменения. Этот процесс называется синхронизацией.

В принципе, на экране электронно-лучевой трубки, можно непосредственно наблюдать магнитные характеристики какого-либо материала (рис. 8.9). В цепь первичной обмотки трансформатора T включено сопротивление  . При протекании первичного тока на этом сопротивлении возникает падение напряжения, пропорциональное намагничивающей силе  :

.

(8.2)

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора 

ЭДС вторичной обмотки  .

(8.3)

Напряжение на конденсаторе

;

(8.4)

Рис. 8.9. Измерение при помощи осциллографа магнитных характеристик материалов

Если напряжение   подать на горизонтально отклоняющие пластины, а напряжение   подать на вертикально отклоняющие пластины, то на экране луч будет изменяться в координатах  , т. е. на экране можно будет наблюдать намагничивание сердечника трансформатора.

Аналогичным образом можно непосредственно на экране электронно-лучевой трубки получить вольтамперные характеристики различных полупроводниковых приборов, если на горизонтальный вход подавать сигнал пропорциональный току прибора, а на вертикальный вход – пропорциональный напряжению на приборе.

Рассмотренная конструкция электронно-лучевой трубки не является единственной. Существует большое количество различных вариантов её построения, подключения, использования. Кроме рассмотренной системы фокусировки и отклонения луча широкое распространение получили магнитные системы, когда на движущиеся электроны воздействуют магнитным полем. При этом возникает сила Лоренца

,

(8.5)

где   – заряд электрона;   – вектор скорости электрона;   – вектор магнитной индукции.

Изменяя величину этой силы можно изменять степень влияния на движущийся электронный пучок.

Магнитные системы получили наиболее широкое применение в электронно-лучевых трубках телевизионных приёмников (кинескопах), а также в индикаторных электронно-лучевых трубках радиолокационных станций.

КРАТКО: "В электронно-лучевых приборах создается тонкий пучок электронов (луч), который управляется электрическим или магнитным полем либо обоими полями. К этим приборам относятся электроннолучевые трубки индикаторных устройств радиолокаторов, для осциллографии, приема телевизионных изображений (кинескопы), передачи телевизионных изображений, а также запоминающие трубки, электронно-лучевые переключатели, электронные микроскопы, электронные преобразователи изображений и др. Большинство электронно-лучевых приборов служит для получения видимых изображений на люминесцентном экране; их называют электронно-графическими.Рассматриваются наиболее распространенные осциллографические и приемные телевизионные трубки, к которым также близки индикаторные трубки радиолокационных и гидроакустических станций.

Трубки могут быть с фокусировкой электронного луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча. В зависимости от цвета изображения на люминесцентном экране бывают трубки с зеленым, оранжевым или желто-оранжевым свечением — для визуального наблюдения, синим — для фотографирования осциллограмм, белым или трехцветным — для приема телевизионных изображений. Кроме того, трубки изготовляются с различной длительностью свечения экрана после прекращения ударов электронов (так называемым послесвечением). Трубки различаются также по размерам экрана, материалу баллона (стеклянные или металлостеклянные) и другим признакам."