8. Некоторые применения аналоговых перемножителей

На основе аналогового перемножителя выполняются различные преобразователи сигналов. Простейший из них – квадратор. Для его реализации достаточно запараллелить оба входа перемножителя (рис 2.39):

Рисунок 2.39 Схема квадратора

Если квадратор включить в цепь отрицательной обратной связи (ООС) инвертирующего усилителя, то получим устройство извлечения квадратного корня:

Рисунок 2.40 Схема устройство извлечения квадратного

корня

При идеальном ОУ токи через R2 и R1 равны:

=> ,

гдеk – масштабный коэффициент квадратора.

Выходное напряжение квадратора положительно. Поэтому для обеспечения в операционном усилителе ничтожно малого , напряжение должно быть отрицательной полярности, что следует также из направления тока через R2 и R1. Если или положительно, то обратная связь в операционном усилителе становится положительной из-за нечувствительности квадратора к полярности его входного напряжения. Это превращает устройство в триггер, который переключается в состояние насыщения. Для предотвращения в выходной провод операционного усилителя включается диод, который не пропускает на выход , т.е. автоматически разрывает петлю обратной связи при . Если квадратор инвертирует полярность напряжения то должно быть положительным и направление диода следует изменить.

Для получения делителя одного напряжения на другое достаточно в цепь обратной связи (ОС) инвертирующего усилителя включить перемножитель (рис 2.41):

Рисунок 2.41 Схема делителя напряжения

Чтобы эта ОС была отрицательной, коэффициент обратной передачи через перемножитель, а значит и должны быть положительными. Если же перемножитель – инвертирующий, то должно быть . Напряжение может быть любой полярности. При идеальном операционном усилителе равенство токов через R1 и R2 запишем:

=>

Некоторые серийные микросхемы перемножителей уже имеют встроенный операционный усилитель (ОУ). Тогда для реализации делителя или устройства извлечения корня достаточно лишь соответствующего взаимного соединения выводов микросхемы.

Тема 2.5 Компараторы напряжения

2.5.1 Назначение, основные параметры, типы, принцип и действие компараторов

Компараторы предназначены для сравнения двух входных сигналов и скачкообразного изменения выходного сигнала в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого. На один вход компаратора подаётся исследуемый сигнал, на другой – опорный. Компараторы используются в различных областях: для сравнения уровня сигнала с пороговым значением, для получения прямоугольных импульсов натреугольных, при импульсно-кодовой модуляции, для переключения источников питания, включения освещения и отопления.

Компараторы – специализированные операционные усилители (ОУ) с дифференциальными входом и одиночным или парафазных цифровым выходом. Любой операционный усилитель может быть использован как компаратор, но промышленностью выпускается большое число специально спроектированных устройств:

• общего применения (К521СА2 ,СА5)

• прецизионные (К521СА3, К597СА3)

• специализированные (К521СА1,СА4, К1121СА1, К1401СА1)

Основными параметрами компараторов являются:

• чувствительность (точность, с которой компаратор может различать входной и опорный сигналы)

• быстродействие (от начала сравнения до момента, когда достигает порога срабатывания логической схемы)

• нагрузочная способность (способность компаратора управлять определённым числом входов цифровых устройств)

Рисунок 2.42 Схема компаратора напряжения

При подаче на неинвертирующий вход синусоидального напряжения, а на инвертирующий вход – постоянного , на выходе вследствие большого коэффициента усиления получим последовательность практически прямоугольных импульсов, причём положение моментов переключения соответствует равенству . Если входы ОУ поменять местами, то изменит знак. Однако реальный операционный усилитель имеет и , что вносит ошибки в работу компараторов, сдвигая моменты переключения в одну или другую стороны.

При наличии большого для защиты ИМС на вход включаются встречно-параллельно 2 диода, которые совместно с резисторами R1,R2 образуют ограничители. Роль резисторов могут выполнять внутренние сопротивление источников напряжения.

Если , тоК – детектор нулевого уровня (нуль-индикатор). При необходимости сравнения двух разнополярных напряжений, входной и опорный сигналы подаются на один вход (обычно инвертирующий).

Рисунок2.43

При R1=R2 , срабатывание схемы происходит при . Достоинство одновходовой схемы – отсутствует синфазная составляющая входных напряжений, что уменьшает ошибку срабатывания, обусловленную КОСС.

Переходная характеристика реального компаратора имеет не симметричный, резкий перепад, а плавный характер с конечным наклоном. Такое плавное срабатывание часто нежелательно, поэтому для лавинообразного переключения компаратора его охватывает ПОС через инвертирующий вход.

Рисунок 2.44 Схема компаратора-регенератора

Такой компаратор-регенератор (рис 2.44.) срабатывает, когда равен или превышает максимальное значение напряжения обратной связи (ОС):

Задержку переключения на величину называется гистерезисом(рис 2.45). При этом на передаточной характеристике появляются замкнутый контур, называемый петлёй гистерезиса.

Рисунок 2.45 Гистерезис

Пороги переключения делают схему нечувствительной к шумам. Для дальнейшего увеличения стороны переключения R2 шунтируют конденсаторомC=10…100 пФ для предотвращения уменьшения петлевого усиления на ВЧ (из-за входной ёмкости компаратора).

Такой компаратор, охваченный положительной обратной связью (ПОС), имеет 2 устойчивых состояния, и, следовательно, является триггером.Если у него используются только лишь один вход, опорное напряжение не подаётся, то он срабатывает по собственному порогу и называется триггером Шмидта. Он может быть и неинвертирующим: сигнал через резистор R1, а инвертирующий вход – на корпус.

Триггер Шмидта используется для преобразования входного переменного напряжения произвольной формы в последовательность прямоугольных импульсов. Напряжение гистерезиса составляет единицы мВ и регулируется выбором R1, R2.

Однако у современных интегральных компараторов , а их значение определяется стандартным для цифровых устройств уровнями:

• логические единицы ;

• логического нуля: ;

что позволяет использовать его для непосредственного управления логическими микросхемами. По этой причине нижний и верхний пороги срабатывания (U_п.н., U_п.в.) по входному напряжению тоже оказываются неравными и могут быть одного знака.