Функциональные элементы УРЗА на операционных усилителях. Учебное пособие

Коэффициент усиления в канонической форме для полосового фильтра Рауха имеет следующий вид:

соответствующей частоте пропускания.

Определение необходимых для получения заданной характеристики фильтра параметров схемы является достаточно сложной задачей и в этом курсе не рассматривается. Для изучения этого вопроса можно порекомендовать [4].

Комбинированная положительная и отрицательная обратная связь

Обобщенная схема с комбинированной положительной и отрицательной обратной связью, показанная на рис. 25, очень похожа на схему разностного усилителя (см. рис. 17). Однако она является представителем нового класса операционных схем, обладающих интересными свойствами благодаря одновременному использованию положительной и отрицательной обратной связи. Устойчивость работы схемы,

41

показанной на рис. 25, обеспечивается преобладанием отрицательной обратной связи над положительной:

42

Знак «минус» указывает на изменение полярности сигнала, т. е. на преобразование iвх , выходящего из источника сигнала в ток iвых , от-

бираемый от нагрузки, или, другими словами, на преобразование источника тока в токоотвод. Кроме инверсии тока, эта схема обладает еще одним интересным свойством, для выявления которого следует рассмотреть величину входного сопротивления.

Входной ток вызывает появление на сопротивлении нагрузки на-

сигнала вследствие того, что оба входа имеют одинаковый потенциал. Таким образом, приведенная операционная схема ведет себя по отношению к источнику сигнала как заземленное отрицательное сопротив-

ление Rн :

Аналогичные рассуждения можно выполнить, если вместо активного сопротивления нагрузки Rн включить в схему комплексное со-

противление Zн . В этом случае получаем тот же результат, т. е. по от-

ношению к входному зажиму оно будет преобразовано к отрицательному полному сопротивлению

Таким образом, инвертор тока действует как преобразователь отрицательного полного сопротивления.

Отрицательное сопротивление. Преобразование полного сопро-

тивления в отрицательное характерно также для второго крайнего случая выполнения неравенства (57), представленного на рис. 27. Чтобы определить значение входного сопротивления, на вход подается тесто-

вое напряжение uвх и находится входной ток iвх .

Напряжение uвх усиливается в число раз, равное обратному коэффициенту резистивного делителя R1 , R2 , и выделяется в усиленном виде на выходе. Положительная обратная связь через резистор R4

стремится ввести операционную схему в насыщение. Источник тестового напряжения будет предотвращать насыщение выхода, однако для этого он должен поглощать индуцированный ток

43

Источник опорного напряжения, построение которого показано на рис. 29, содержит нелинейный элемент стабилитрон VD. В соответствии с неравенством (57) устойчивость данной операционной схемы обеспечивается за счет малого динамического сопротивления стабилитрона.

В стабильной рабочей точке, соответствующей пересечению ха-

через стабилитрон протекает ток постоянной величины, который он

46

хода сигнала через нуль), ОУ перевозбужден большим дифференциальным входным напряжением, и его выход находится в состоянии насыщения. Применявшаяся ранее для анализа работы операционных схем концепция идеального ОУ здесь не применима, и ее следует заменить понятием идеального компаратора.

Идеальный компаратор – это устройство сравнения, имеющее нулевой порог чувствительности, т. е. его выходное напряжение принимает максимально возможное положительное значение, если напряжение на неинвертирующем входе выше, чем напряжение на инвертирующем, и принимает максимально возможное отрицательное значение, если напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем напряжение на инвертирующем.

Таким образом, выход ОУ в схеме мультивибратора все время находится в насыщенном состоянии. Процессы в схеме описываются следующими уравнениями:

При положительном напряжении на выходе ОУ напряжение на конденсаторе возрастает до тех пор, пока не станет равным напряжению на неинвертирующем входе.

После этого происходит изменение знака выходного напряжения ОУ и начинается перезаряд конденсатора в обратном направлении. Процесс продолжается, пока снова не уравняются напряжения на входах ОУ. Таким образом, устанавливается колебательный процесс, период которого определяется из выражения

47

Операционные схемы с несколькими усилителями

Измерительный усилитель с двумя ОУ. Одним из недостатков по-

казанного на рис. 17 разностного усилителя является то, что его входные сопротивления имеют малую и не равную друг другу величину. Ограничиваясь одним ОУ, этот недостаток преодолеть невозможно. Выходом является использование схемы, приведенной на рис. 31. Как и в случае разностного усилителя, данный измерительный усилитель решает проблему уравнивания коэффициентов усиления инвертирующего усилителя напряжения и неинвертирующего усилителя. Однако здесь она решается не за счет ослабления неинвертируемого сигнала, а посредством усиления инвертируемого сигнала в K раз.

Рис. 31. Измерительный усилитель с двумя ОУ

Проведем анализ работы данной схемы с использованием метода суперпозиции.

При подаче только входного сигнала u2 ( u1 0 ) работа схемы описывается так же, как и для неинвертирующего усилителя:

48

полненным на DA1 , и инвертирующим усилителем, выполненным на DA2 , и ее работа описывается выражением

Результирующее операционное уравнение имеет вид

Полные входные сопротивления обоих входов имеют бесконечно большую величину.

Схема выделения модуля. Схема, показанная на рис. 32, выделяет модуль входного напряжения и тем самым работает как двухполупериодный выпрямитель. Она состоит из диодного ограничителя (см. рис. 12) и двухвходового суммирующего усилителя (см. рис. 5).

диод VD1 находится в непроводящем состоянии. Последовательно включенные резисторы R и R / 2 не работают, поскольку они включе-

49

ны между потенциально заземленными входами усилителей DA1 и DA2 . Выходной суммирующий усилитель действует как инвертор с единичным усилением, и

ется диодным ограничителем в напряжение отрицательной полярности u1 uвх , а затем оба напряжения uвх и u1 складываются так, что на выходе суммирующего усилителя появляется напряжение

В тех случаях, когда необходимо иметь значение модуля с обратным знаком, достаточно изменить полярность включения диодов VD1

и VD2 .

НЕКОТОРЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ СХЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В УРЗА

Эта последняя рассматриваемая группа содержит ряд операционных схем, получивших большое распространение в устройствах релейной защиты и системной автоматики. Следует сразу оговориться, что обсудить весь спектр используемых схем невозможно, поскольку он необъятен. Тем не менее здесь рассмотрена большая часть раcпространенных в настоящее время схем, основанных на применении ОУ.

Инвертирующий усилитель-ограничитель

При построении измерительных органов, реагирующих на две электрические величины и использующих принцип сравнения электрических сигналов по фазе, возникает необходимость сформировать из напряжения, имеющего синусоидальную форму, напряжение, близ-

50