Функциональные элементы УРЗА на операционных усилителях. Учебное пособие

житель суммарного коэффициента усиления в соответствии с уравне-

нием (18).

Напряжение uХ , выделяющееся на резисторе R3 , приходит с выхода схемы и получается за счет деления выходного напряжения uвых нагруженным делителем напряжения R2 , R3 (резистор R1 соединен вторым выводом с точкой потенциального заземления R2 , R3 (резистор R1 соединен своим вторым выводом с точкой потенциального

циенту деления этого делителя, является вторым сомножителем суммарного коэффициента усиления. Таким образом, включение в схему резисторов R2 и R3 приводит к кажущемуся увеличению сопротивления обратной связи в число раз, обратное отношению деления

R2 R3 1.

Следует отметить, что искусственное увеличение сопротивления обратной связи за счет использования Т-образной цепи имеет серьезный недостаток – оно сопровождается возрастанием сдвига и шумов операционной схемы.

Вторым частным случаем обобщенного инвертора является схема логарифмического усилителя, показанная на рис. 8 и являющаяся примером нелинейной операционной схемы.

Рис. 8. Логарифмический усилитель

21

Передаточная функция биполярного транзистора, рассматриваемо-

T – температура в градусах Кельвина.

откуда

Следует отметить, что в действительности схема значительно сложнее, так как необходимо учитывать температурную зависимость, обеспечивать точное выполнение логарифмического соотношения и устойчивость работы схемы.

Интегратор

Приведенная на рис. 9 схема интегратора построена на основе инвертирующего усилителя напряжения, в котором резистор обратной связи заменен конденсатором.

uucС(0)

Рис. 9. Интегратор

22

Поскольку инвертирующий вход потенциально заземлен, преобразование напряжение–ток (резистор R ) отделено от последующего ин-

тегрирования (конденсатор C ). Входной ток uвх , который не зависит

R

от накопленного интегратором заряда, вынужден протекать через конденсатор обратной связи. Выходное напряжение определяется из операционного уравнения, которое в неявной форме имеет следующий вид:

Выражая uвых в явном виде, получаем

где uC (0) – начальное напряжение на конденсаторе.

Следует отметить, что в операционное уравнение интегратора входит время, т. е. с течением времени на результате интегрирования сказываются те незначительные физические параметры, которыми для других операционных схем можно пренебречь. Такими параметрами являются токи смещения и напряжения сдвига входов ОУ. Несмотря на ничтожные величины этих параметров, их влияние на результат работы интегратора со временем накапливается и приводит к значительным погрешностям. Для обеспечения правильной работы устройств, содержащих интеграторы, необходимо сокращать время интегрирования применением соответствующих алгоритмов и задавать определенное начальное значение выходного напряжения интегратора.

В некоторых случаях для уменьшения влияния накапливающейся с течением времени погрешности используют операционные схемы, в которых искусственно уменьшается влияние накопления погрешности от неидеальности ОУ посредством введения допустимой неидеальности операционного уравнения. Это достигается шунтированием конденсатора резистором с большим сопротивлением. В результате получается операционная схема, получившая название инерционное звено

(рис. 10).

23

R0

Рис. 10. Инерционное звено

Выходное напряжение определяется из операционного уравнения, которое в неявной форме имеет следующий вид:

схемы приближается к характеристике интегратора и в то же время предотвращает непредсказуемое насыщение ОУ при длительном воздействии сигналов, обусловленных его неидеальностью.

24

Дифференциатор

Приведенная на рис. 11 схема дифференциатора построена на основе инвертирующего усилителя напряжения, в котором входной резистор заменен конденсатором.

Рис. 11. Дифференциатор

Так как инвертирующий вход потенциально заземлен, формирователь входного тока (конденсатор C ) отделен от преобразователя выходного напряжения в ток обратной связи (резистор R ). Входной ток

ходное напряжение определяется из операционного уравнения, которое в неявной форме имеет следующий вид:

Следует отметить, что схема дифференциатора ведет себя очень неустойчиво, поскольку резкие изменения входного сигнала приводят к еще большим изменениям выходного. Это делает схему дифференциатора очень чувствительной к помехам. По этой причине применение схемы очень ограничено, и если она используется, то всегда при-

25

нимаются меры к подавлению помех. Эти меры заключаются или в демпфировании включением конденсатора параллельно резистору обратной связи, или включении дополнительного резистора последовательно с входным конденсатором. Оба способа приводят к уменьшению точности дифференцирования.

Диодный ограничитель

Нелинейная операционная схема, показанная на рис. 12, а, представляет собой операционную схему, выход которой не совпадает с выходом ОУ. Она работает в двух режимах в зависимости от полярности входного напряжения uвх . Для упрощения анализа не будем учи-

тывать обратные токи используемых кремниевых диодов.

Рис. 12. Диодный ограничитель (однополупериодный выпрямитель), работающий на заземленную пассивную нагрузку

ложительную полярность и равное приблизительно 0,6 В напряжение на выходе ОУ (падение напряжения на диоде VD2) изолировано от выхода операционной схемы смещенным в обратном направлении диодом VD1. В предположении пассивной и заземленной нагрузки выходное напряжение операционной схемы равно нулю:

26

При uвх 0 диод VD2 не работает. При этом операционная схема работает как инвертор:

Выходное напряжение ОУ, имеющее отрицательную полярность, проходит на выход операционной схемы через смещенный в прямом направлении диод VD1. Напряжение на выходе ОУ смещено относительно выхода схемы в сторону меньших значений на постоянную величину, приблизительно равную 0,6 В (прямое падение напряжения на диоде VD1).

На рис. 12, б приведен график, представляющий операционные уравнения (29) и (30). Это характеристика идеального однополупериодного выпрямителя, имеющего отрицательный выходной сигнал. Нетрудно заметить, что для получения положительного выходного сигнала достаточно изменить полярность включения диодов VD1 и VD2.

Аналоговый ключ

Замена в схеме диодного ограничителя диодов на ключи, выполненные на МОП-транзисторах, позволяет получить прецизионный (аналоговый) ключ (рис. 13). Два рабочих состояния этого ключа задаются логической переменной Sw, которая формирует два взаимно инверсных сигнала, подаваемых на затворы МОП-транзисторов. В первом состоянии, соответствующем Sw = 0, ключ Sw2 замкнут, ключ Sw1 разомкнут и выходное напряжение равно нулю независимо от величины входного напряжения uвх :

Во втором состоянии ключи меняются ролями, и на выходе появляется инвертированное входное напряжение:

27

через RГ не проходит ток. Последовательная операционная схема от-

личается тем, что на ее вход проходит все напряжение, вырабатываемое источником сигнала.

Коэффициент усиления с учетом обратной связи неинвертирующего усилителя

имеет положительный знак и всегда больше единицы.

Повторитель напряжения

Особый случай неинвертирующего усилителя – повторитель напряжения (или просто повторитель) (рис. 15) – самая простая операционная схема. Ее цепь обратной связи – это просто отрезок провода, соединяющий выход ОУ с его инвертирующим входом. Выходное напряжение uвых является точной копией входного напряжения uвх на

более высоком уровне мощности:

Преобразователь напряжение–ток

Преобразователь напряжение–ток, показанный на рис. 16, преобразует входное напряжение в выходной ток.

В результате действия цепи обратной связи входное напряжение uвх проходит также на инвертирующий вход и выделяется на

вспомогательном резисторе R . Результирующий ток uвх R протекает

30