Функциональные элементы УРЗА на операционных усилителях. Учебное пособие

пропорциональное разности обоих входных напряжений. Отсюда и название данной схемы.

Включение делителя напряжения R3 , R4 в схему обеспечивает уравнивание коэффициентов усиления для напряжений u1 и u2 , кото-

рые без этого делителя различаются на единицу.

Рассмотренная схема разностного усилителя нагружает источники входных сигналов. Источник сигнала u2 нагружен на сопротивление,

равное сумме сопротивлений R3 и R4 и не зависит от напряжения, поступающего от u1 . Нагрузка источника u1 зависит от напряжения u2 , поскольку резистор R1 , через который подключено это напряжение, вторым выводом подключен к инвертирующему входу, потенциал которого определяется напряжением u2 . По этой причине при использо-

вании такой схемы надо обеспечить получение входных сигналов от источников с малым выходным сопротивлением.

Симметричный преобразователь ток–напряжение

Эта схема, показанная на рис. 18, отличается от простого преобразователя наличием у него второго заземленного токочувствительного резистора, включенного в цепь прохождения сигнального тока. В то же время в схеме сохраняется потенциальное короткое замыкание источника сигнала. Вследствие падения напряжения iвх R на резисторе,

подключенном к неинвертирующему входу, потенциал на входах ОУ оказывается отличным от потенциала земли, а на выходе схемы устанавливается напряжение

33

0

Рис. 19. Модулятор, преобразующий входное напряжение в переменный сигнал с амплитудой, определяемой входным напряжением

Когда ключ быстро и через равные промежутки времени переключается из одного состояния в другое, схема работает как прецизионный модулятор-прерыватель.

Фазовращатель

Фазовращатель, схема которого изображена на рис. 20, предназначен для изменения фазы выходного сигнала, что бывает часто необходимым при построении измерительных органов, реагирующих на две подведенные электрические величины. В этой схеме RC-цепь работает как частотно-избирательная, закорачивающая неинвертирующий вход на землю. Поэтому на низких частотах сигнал передается без инверсии (с нулевым сдвигом по фазе), на высоких частотах наблюдается изменение полярности сдвига (сдвиг по фазе на –180º), а на средних частотах схема работает в промежуточных режимах.

Выведем операционное уравнение. Напряжение u на неинверти-

операционная схема возбуждается двумя независимыми напряжениями uвх и u , найдем выходное напряжение методом суперпозиции

35

приведена операционная схема обобщенного фильтра Рауха, в которой все пассивные элементы представлены полными сопротивлениями. Конкретные типы фильтров получаются из обобщенного выбором типов сопротивлений и их величин.

uвых

Рис. 21. Обобщенная схема фильтра Рауха

Наличие нескольких контуров существенно усложняет анализ. Для вывода идеализированного уравнения записываются выражения для напряжений в точках A и B, после чего в соответствии со свойствами идеального ОУ принимается uB 0 .

Для вывода операционного уравнения запишем сначала уравнения первого закона Кирхгофа для узлов A и B:

Подставляя в эти уравнения значения токов, выраженные через разности узловых напряжений и сопротивления между узлами, получаем

37

Для получения зависимости выходного напряжения от входного из выражений (50) и (51) необходимо исключить напряжения uA и uB .

Из допущения о идеальности ОУ напряжение uB 0 . Напряжение uA можно выразить из (50) через выходное напряжение операционной схемы uвых :

На базе полученного выражения могут быть определены коэффициенты усиления при любых сочетаниях параметров, входящих в данную схему элементов. Практическое значение имеют три случая, рассмотренные ниже.

Фильтр низших частот получается, если сопротивления Z1 , Z3 и Z4 заменить резисторами, а сопротивления Z2 и Z5 – конденсатора-

ми, как показано на рис. 22. При этом осуществляются следующие замены:

Подставляя эти сопротивления в уравнение (53), после выполнения ряда алгебраических преобразований получаем выражение, связывающее выходное напряжение с входным через комплексный коэффициент усиления. Для большего удобства этот коэффициент обычно представляют в каноническом виде, где в знаменателе и числителе записываются полиномы от j в порядке убывания степеней. При этом

38

щее выходное напряжение с входным через комплексный коэффициент усиления. Коэффициент усиления в канонической форме для фильтра высших частот Рауха имеет следующий вид:

Рис. 23. Фильтр высших частот Рауха

Из полученного выражения видно, что данная схема является фильтром высших частот, поскольку ее коэффициент усиления при

0 равняется нулю, а при стремится к C1C4 .

Полосовой фильтр получается, если сопротивления Z1 , Z2 и Z5 заменить резисторами, а сопротивления Z3 и Z4 – конденсаторами, как показано на рис. 24. При этом осуществляются следующие замены:

Подставляя эти сопротивления в уравнение (53), после ряда алгебраических преобразований получаем выражение, связывающее выходное напряжение с входным через комплексный коэффициент усиления.

40