4 Лекция

Цель: ОУ, имеющие в цепи обратной связи нелинейные элементы, придают новые свойства схемам: можно построить выпрямители переменного сигнала малого напряжения, получить логарифмирующие и антилогарифмирующие устройства, амплитудные ограничители.

Содержание: прецизионные выпрямители среднего значения, фазочувствительные выпрямители, ограничители сигнала, схемы

логарифмирования и потенцирования.

4.1 Применения оу в нелинейных цепях

Имеется множество схем применений ОУ в нелинейных цепях. Сюда относятся схемы, в которых форма выходного напряжения изменяется резко (скачком) при плавном изменении входного сигнала. При помощи схем с нелинейной ОС можно выпрямлять переменные сигналы, аппроксимировать передаточные характеристики, ограничивать выходные сигналы по амплитуде, линеаризовать характеристики первичных преобразователей, производить нелинейные математические операции, получать значения логарифма и антилогарифма входного сигнала, строить аналоговые ключи.

4.2 Прецизионные выпрямители

Полупроводниковые диоды непригодны для выпрямления сигналов менее 1 В. Для получения заметной проводимости на кремниевые диоды нужно подать прямое смещение более 0,7 В, а на германиевые – более 0,3 В.

Использование ОУ в схемах выпрямителей позволяет выпрямлять сигналы напряжением менее 1 мВ. Выпрямители среднего значения дают на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорциональна среднему значению выпрямленного входного напряжения. На рис. 18-а показана схема однополупериодноговыпрямителя среднего значения и временные диаграммы входного и выходного сигналов.

Рисунок 18 – Схема однополупериодного прецизионного выпрямителя – а), временные диаграммы сигналов – б).

Во время положительной полуволны входного сигнала на выходе ОУ присутствует отрицательное напряжение, поэтому диод Д2 под действием обратного смещения закрыт. Диод Д2 напротив, будет открытым, при этом схема работает как инверсный усилитель с коэффициентом усиления

К_U = - R3 / R1. Резисторы R1, R2 и R3 одинаковы и поэтому К_U = - 1, но на выходе схемы сигнал отсутствует, т.к. диод Д2 не проводит. При отрицатульной полуволне входного сигнала на выходе ОУ будет положительное напряжение, диод Д2 будет открытым, а диод Д1 закроется. Схема по-прежнему работает как инверсный усилитель с единичным коэффициентом усиления и на её выходе будет инвертированное входное напряжение во время отрицательных полуволн входного сигнала, т.е. осуществляется его однополупериодное выпрямление.

Если выходной сигнал снимать с точки между Д1 и R3, то получим схему однополупериодного выпрямителя для положительной полуволны входного сигнала.

На рис. 19 показаны схема и временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя. В зависимости от знака входного сигнала открывается диод Д1 или диод Д2. Положительная полуволна сигнала через делитель напряжения на резисторах R2 и R4 подаётся на неинвертирующий – прямой вход ОУ. При этом схема работает как неинвертирующий усилитель, диод Д1 закрыт. Согласно с выражением (2.4) сигнал на выходе

U_ВЫХ = U_ВХ +1).

Все пять резисторов в схеме одиниковы, с учётом этого получим

U_ВЫХ = U_ВХ .

Рисунок 19– Схема двухполупериодного прецизионного выпрямителя – а), временные диаграммы сигналов – б).

Отрицательная полуволна входного сигнала подаётся через делитель напряжения на резисторах R1 и R3 на инверсный вход ОУ. При этом схема работает как инвертирующий усилитель, и согласно с формулой (2.3) сигнал на его выходе

U_ВЫХ = U_ВХ

В данном выражении учитывается параллельное соединение R1 и R3, т.к. сигнал обратной связи подаётся через R5 на оба эти резистора, соединённые к общему проводу. Диод Д1 открыт, ток ОС течёт на общий провод через резисторы R1 и R3. Здесь по умолчанию подразумевается, что внутреннее сопротивление источника входного сигнала много меньше резисторов схемы, что обычно имеет место на практике. При равенстве сопротивлений всех резисторов схемы имеем

U_ВЫХ = U_ВХ .

Выходное напряжение положительно. Остаточная погрешность схемы вызывается только неидентичностью характеристик диодов.