Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
metods / Аналоговые микросхемы.pdf
Скачиваний:
243
Добавлен:
26.03.2015
Размер:
1.5 Mб
Скачать

В случае, соответствующем рис. 1.12, а, схема ведет себя как обычный инвертирующий повторитель напряжения, т.е. Uн= –Uвх. Во втором случае на неинвертирующий вход усилителя поступает

напряжение Uвх. При Ku → ∞ потенциал точки Б оказывается равным потенциалу точки А. Это значит, что оба вывода левого резистора R, подключенного к инвертирующему входу, находятся под одним и тем же потенциалом, и ток через этот резистор не течет. Следовательно, нет тока и в резисторе обратной связи. Падение напряжения на всех резисторах схемы равно нулю. ОтсюдаUн = Uвх.

 

R

 

 

R

R

 

 

R

 

 

 

А

 

Uвх R1

+

Rн Uн

Uвх R1 Б +

Rн Uн

 

а

 

б

 

Рис. 1.12

Таким образом, данная схема является прецизионным модулятором. На рис. 1.13 представлены графики зависимости Uн= f (Uвх) при коммутации ключа с частотой переключения f = 1/Т. В качестве ключа Кл здесь удобно использовать ключи на полевых транзисторах, поскольку они наиболее близки к механическим ключам: практически имеют бесконечное сопротивление в разомкнутом состоянии, нулевое – в замкнутом и не создают остаточных напряжений на их выходных выводах. Вместо полевых транзисторов можно применять оптоэлектронные приборы, позволяющие гальванически развязать цепь управления ключом с цепью собственно усилителя.

1.7. Конверторы сопротивлений

Конверторы сопротивлений предназначены для преобразования знаков сопротивлений. Их основу составляют операционные усилители с комбинированными обратными связями (рис. 1.14).

17

Uвх

0

t

Rкл

0

0

0 t

Uн

T/2 T

0

t

Рис. 1.13

Как и в схеме на рис. 1.6 наличие положительной обратной связи может обусловливать неустойчивость схемы. В самом деле, если отрицательная обратная связь окажется более глубокой, по сравнению с положительной, то схема устойчива. Схема, представленная на рис. 1.14, устойчива при R1 / R2 > R3 / R4.

18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U1

 

А

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U2

R3

 

 

 

R4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.14

Это условие – преобладание глубины отрицательной обратной связи над глубиной положительной – всегда выполняется в двух граничных случаях:

либо при R3 = 0, т.е. когда источник напряжения U2 с его нулевым внутренним сопротивлением подключается к зажиму В

(рис. 1.15, а);

либо при R1 = , т.е. если источник тока с его бесконечным сопротивлением подключается к зажиму А (рис. 1.15, б).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

iвх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К

 

 

 

 

D

 

iвх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

Кu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uвх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

R4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

i

н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

Rн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rвых=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i'с

 

 

 

 

 

 

Uс

 

 

iс

 

 

Uвых=Uс(1+ R2/R1)

 

 

 

 

 

Uн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сравнение схем на рис. 1.6 и 1.15 показывает, что они по выходу при выполнении условия устойчивой работы относятся к группе управляемых электронных источников тока.

19

Схемы на рис. 1.15 очень интересны, если рассматривать их входные сопротивления: сопротивление на рис. 1.15, а по входу В и на рис. 1.15, б по входу А. В этом случае они проявляются как конверторы (устройства изменения знака) сопротивлений.

Анализ схем существенно упрощается, если полагать усиление операционного усилителя бесконечным Ku = и отрицательная обратная связь преобладает над положительной. Тогда UAB = U = =0. Это значит, что резисторы R2 и R4 на схеме рис. 1.15, а включены параллельно и падения напряжений на них одинаковы. Схема на рис. 1.15, а представляет собой неинвертирующий усилитель, охваченный дополнительной положительной обратной связью через резистор R4. Входной сигнал Uс стремится создать на выходе напряжение UD = Uс (1+ R2 / R1). Естественно, UD > Uс при том же знаке. Поэтому источник сигнала не отдает, а поглощает ток, равный

i'

=Uc Uc (1+R2 /R1)

=−U

 

R2

.

 

 

c

R

 

c R

R

 

4

 

1

4

 

Отсюда входное сопротивление схемы – сопротивление по входу В – оказывается равным

Rвх В = Uс / i'c = – R1 R3 /R2.

(1.9)

Как следует из (1.9) для внешней цепи с низкоомным выходом, подключенной к входу В, рассмотренная схема "видится" как отрицательное сопротивление. Любое из трех сопротивлений схемы можно превратить в отрицательное с соответствующим масштабным коэффициентом:

либо, например, R1 с масштабным коэффициентом K1 =

=R4/R2, т.е. Rвх В = –K1 R1;

либо сопротивление R4 с масштабным коэффициентом K2 = =R1 /R2, т.е. Rвх В = –K2 R4;

либо проводимость y = 1/R2 с масштабным коэффициентом

K3= R1 R4, т.е. y = –K3 /R2.

Аналогично конвертируется знак сопротивления Rн в схеме

рис. 1.15, б. При тех же условиях Ku = и U = 0 падения напряжений на резисторах R окажутся одинаковыми. Сумма падений

напряжений в контуре A – D – B – A: iвх R + iн R = 0, или iн = – iвх,

или Uн = –iвх Rн.

20

Поскольку U = 0, то к зажимам источника тока приложено

напряжение – Rн Iвх.

Подключение к зажиму А источника тока или источника напряжения с высоким выходным сопротивлением приводит к тому, что схема проявляет себя как отрицательное сопротивление вели-

чиной Rн.

Конверторы сопротивлений могут быть и более сложными. На рис. 1.16 представлена схема одновременно конвертора тока и конвертора сопротивлений.

i1

R1

А

R2

i2

 

 

 

 

 

 

 

 

i1+ i2

 

R

 

 

U2

 

R

 

iн

 

 

 

 

 

U1

+ 1

 

R

 

Uн

 

 

н

Uс

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

Рис. 1.16

При большом усилении усилителя 1 по напряжению U1 = U2 и напряжение сигнала Uс = Uн. Напряжение в точке А схемы UА =

= Uн i2 R2 = Uс i1 R1. Отсюда i2 R2 = i1 R1, или i2 = + i1 R1/R2 =

=Uн/Rн = –Uс /Rн или (Uс /Rн) R2 = – i1 R1.

Следовательно, ток нагрузки

iн = –i2 = – i1 R1/R2;

(1.10)

входное сопротивление

Rвх = Uс /i1 = – (R1/R2) Rн.

(1.11)

При условии R1 = R2 схема превращается в инвертор тока с коэффициентом передачи по току K'i = – 1.

21

По входу данная схема является конвертором сопротивления, равно как и схема на рис. 1.15. В обеих схемах входное сопротивление определяется одинаковыми (1.9) и (1.11) соотношениями.

Конверторы сопротивлений изменяют знак не только резистивных сопротивлений, но и реактивных, и полных. Это свойство конверторов используется в схемотехнике для создания эквивалентных индуктивностей на базе конденсаторов. При этом громоздкая катушка индуктивности может быть заменена малогабаритным конденсатором. Так, например, если вместо резистора R2 в схему на рис. 1.15 или 1.16 включить конденсатор, то входное сопротивление этих схем

Zвх = R11/RωнC = jR1 R3ωC = jKωC

либо Zвх = jR1RнωC.

С увеличением частоты входное сопротивление той и другой схем линейно увеличивается, ток по фазе отстает от напряжения, как и в обычной индуктивности.

Инвертирование знаков сопротивлений служит в схемотехнике для компенсирования паразитных емкостей и сопротивлений. На рис. 1.17, а представлена схема интегратора напряжений, обеспечивающая заряд конденсатора постоянным током.

 

R

 

 

R

 

 

 

 

 

 

R

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

+

 

+

 

 

 

 

 

 

R

 

А

 

 

А

 

 

 

 

 

 

Ск

 

С

Uвых

Uвх

Сп

Uвых

 

 

 

Uвх

 

 

Б

 

 

Б

 

 

 

 

а

 

 

б

 

 

 

 

 

Рис. 1.17

22

Схема, обозначенная пунктиром, представляет собой по входу отрицательное сопротивление величиной –R. Это значит, что к о- нечное значение сопротивления интегрирующего резистора +R в схеме-интеграторе компенсируется отрицательным сопротивлением –R. Эквивалентное внутреннее сопротивление цепи заряда

конденсатора оказывается равным Rэкв = R (–R) / (R– R) = . Это идеальный источник тока. В идеальном случае при Uc(0)=0

Uвых = R2С t Uвхdt .

0

Двойка в числителе обусловлена тем, что коэффициент усиления этого неинвертирующего усилителя Ku = (1+R/R) = 2.

В схеме нейтрализации паразитной емкости (рис. 1.17, б) емкость участка правее АБ равна САБ = – СкR/R = –Ск. Поскольку по отношению к участку АБ паразитная емкость Сп включена параллельно, то суммарная емкость участка АБ

САБ = Сп САБ = Сп СкR/R.

Регулировкой Ск можно нейтрализовать паразитную емкость. На рис. 1.18, а приведена схема компенсации потерь в колебательном контуре, привносимых его нагрузочным сопротив-

лением Rн.

 

 

 

 

 

Rос

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

Uвых

 

 

 

 

 

 

L

С

Rн

Конвертор

 

 

 

 

 

 

R= Rн

 

Конвертор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

а

 

 

б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.18

 

 

 

Поскольку входное сопротивление конвертора равно –R и оно включено параллельно сопротивлению нагрузки, то суммарное

23