Нелинейные эффекты

Насыщение: ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

В моменты насыщения может произойти отказ в работе ООС и появлению разности напряжений на его входах, что обычно является признаком неисправности схемы (и это легко обнаруживаемый наладчиком признак проблем). Исключение - работа ОУ в режиме компаратора.

Ограниченная скорость нарастания: выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограничения тока и напряжения

Ограниченное выходное напряжение: у любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания (в случае, если нагрузка отсутствует, или является резистивной и не содержит источник тока).

Ограниченный выходной ток: большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока – типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Ограниченная выходная мощность: большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

___________________________________________________________________________

Вернёмся к рассмотрению идеальных ОУ.

Есть 2 класса ОУ: с обратной связью по напряжению и с обратной связью по току.

По напряжению (VF OPA):

По току (CF OPA):

Далее будет рассматриваться только первый вариант, VF OPA.

___________________________________________________________________________

Рассмотрим схему:

т.к.

То есть

,

где коэффициент, с которым усиливается шум независимо от схемы включения ОУ.

При имеем !

Рассмотрим другую схему:

, где .

При имеем .

А в таком случае:

имеем

В схемах с положительной обратной связью может возникать явление отрицательного сопротивления, когда напряжение падает, а ток растет.

Рассмотрим разность входных сигналов:

, если есть отрицательная обратная связь, а К достаточно велик.

Такая вещь называется виртуальным нулем.

Примеры расчета схем с учетом виртуального нуля

Инвертирующее включение

1.

(виртуальный ноль)

Из равенства токов вытекает, что .

___________________________________________________________________________

2.

Здесь

Интегратор (инвертирующий)

Диаграмма Боде:

Выход убывает либо до земли, либо до какого-нибудь питания.

, т.к. . .

Интегратор – астатическая система.

___________________________________________________________________________

Рассмотрим следующую схему (некоторые заметки к контрольной работе):

Здесь не надо использовать теорему Тевенина.

Рассмотрим тот же интегратор, только неинвертирующий.

В диаграмме Боде прямая сместится (раньше была 1, теперь – 2).

, появился скачок.

Рассмотрим нелинейную схему.

(виртуальный ноль)

,

где , а .

То есть это схема – логарифматор.

Следующая линейная схема играет роль сумматора:

Схема суммирования: , если .

___________________________________________________________________________

Для примера – схема, в которой выход ~ (схема умножителя).

Лекция№9

Применение операционных усилителей в нелинейных цепях

Операционный усилитель – это усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления.

Чаще всего в аналоговой технике операционный усилитель применяется не для усиления сигнала. Он оказывает влияние на схему своим виртуальным нулём и служит для того, чтобы устанавливать Ua=Ub.

Рассмотрим прецизионную схему, которую предложил R.Dobkin:

Здесь есть две петли обратной связи. Глубина отрицательной обратной связи должна быть больше, чем глубина положительной обратной связи.

Коэффициент усиления , следовательно, у Q1 он должен быть меньше, следовательно, ООС должна быть на этой петле.

Так как Ua=Ub то следовательно (R₁=R₂)

Температурный коэффициент можно устремить к нулю. Эта схема лучше, чем Виддлеровская схема band-gap.

Если обратная связь положительная, то виртуального нуля нет.

Типы ООС

Rн

Uос

1. Классификация по А,Г. Алексенко

Выход

Обратная связь по напряжению – сигнал обратной связи пропорционален напряжению на нагрузке ( )

Обратная связь по току – сигнал обратной связи пропорционален току на нагрузке ( )

Вход

С результирующим сигналом по напряжению, следовательно, сигнал обратной связи пропорционален сумме напряжений

С результирующим сигналом по току, следовательно, сигнал обратной связи пропорциона-лен сумме токов

Итого получается 4 вида связи.

2. Мировая классификация

Вход

Если сигнал обратной связи пропорционален сумме токов, то обратная связь параллельная.

Если сигнал обратной связи пропорционален сумме напряжений, то обратная связь последовательная.

Выход

Если сигнал обратной связи пропорционален напряжению на нагрузке , то обратная связь по напряжению.

Если сигнал обратной связи пропорционален току на нагрузке, то обратная связь по току.

Как померить ток и напряжение на нагрузке?

Выход

Надо поставить датчик тока и подать в точку суммирования. Датчиком тока может быть δR.

Вход

Ч тобы суммировать токи, нужно поставить 2 резистора.

Это канал прямой передачи. Напряжение в точке А не должно сильно меняться. Ниже приведены схемы суммирования токов.

Схемы суммирования напряжений:

Дифференцирующий каскад

– крутизна

П римеры

в точке суммирования токов

, следовательно, сумма токов, следовательно параллельная обратная связь по напряжению.

2. 

Вход:

У него на входе дифференциальные каскады, которые тянут в разные стороны, следовательно, суммируются напряжения,

следовательно, обратная связь по напряжению.

Е сли R₂ – это R_н, то сопротивление становится датчиком тока, следовательно получим обратную связь по току.

П отенциал U^*≈ const, следовательно, суммируются токи, следовательно, параллельная обратная связь. А по напряжению, или по току – это зависит от того, где расположена нагрузка.

Параллельная ОС по напряжению

Параллельная связь по току:

4. Усилитель для наушников:

К ак и во втором примере ДК тянут в разные стороны, следовательно, обратная связь последовательная обратная связь по напряжению.

Это однополярная схема.

5. Слуховой аппарат:

Т оки примерно по 0,8 А.

Это параллельная обратная связь по напряжению.

Если бы не было нагрузки, то коэффициент усиления К_ОС=1 на постоянном токе.

По переменному току замыкается всё на землю, следовательно нет обратной связи и коэффициент усиления К_ОС порядка нескольких тысяч.

Основные моменты.

• Параллельная обратная связь уменьшает входное сопротивление

• Последовательная обратная связь увеличивает входное сопротивление.

• Обратная связь по току увеличивает входное напряжение.

• Обратная связь по напряжению уменьшает входное напряжение.

Анализ схем с обратной связью

1. Последовательная обратная связь по напряжению.

Например, эмиттерный повторитель.

1. 

2. 

Здесь и далее маленькими буквами будем обозначать дифференциалы.

3. 

2. Параллельные обратные связи по напряжению.

Рассмотрим упрощённую схему:

1. 

2. 

iсв

где

Сводная таблица

	Последовательная ОС по напряжению	Последовательная ОС по току	Параллельная ОС по напряжению	Параллельная ОС по току
КОС	ослабляет	ослабляет
zвх	повышает	повышает	ослабляет	ослабляет
zвых	ослабляет	повышает	ослабляет	повышает

Лекция№10