канальный транзистор открыт, его сопротивление мало, и конденсатор мгновенно разряжается до нуля, т.е. на интервале паузы выходное напряжение генератора равно нулю.

С–U0

Рис. 1.24

1.10. Дифференциаторы

Дифференциатор получается из интегратора, если в нем поменять местами конденсатор и резистор (рис. 1.25).

Рис. 1.25

35

Выходное напряжение в такой схеме пропорционально скорости изменения входного сигнала. В случае идеального операционного усилителя передаточная функция схемы

W(p) = –R/(1/pС)= –pRC,

т.е. схема является идеальным дифференциатором. Это можно показать иначе:

Iос = – Uвых/R; Iвх = С dUвх/dt; –Uвых/R = С dUвх/dt;

или Uвых = –RC dUвх/dt.

Таким образом, в данной схеме, в самом деле, выходное н а- пряжение пропорционально скорости изменения входного сигнала.

Поскольку отрицательная обратная связь в схеме по постоянному току равна единице, то смещение выходного напряжения

здесь минимально: Uвых сд = Uвх сд + Iвх(–) R.

Схема, представленная на рис. 1.25, а, неустойчива. Это обстоятельство иллюстрирует график на рис. 1.26, где ЛАХ идеального дифференциатора ЛАХ1, имеющая наклон + 20 дБ/дек, пересекает участок ЛАХ исходного усилителя ЛАХ2, имеющую наклон –20 дБ/дек.

36

Результирующий излом ЛАХ в точке пересечения составляет 40 дБ/дек, что соответствует возможной потере устойчивости в схеме.

Этот эффект можно объяснить и физически, если проанализировать ЛАХ петлевого усиления – ЛАХ разомкнутой цепи дифференциатора. В этом случае оказывается, что цепь RC вносит от-

стающий сдвиг фазы, равный –90°, в свою очередь, точке пересечения соответствует сдвиг фазы сигнала, вносимый усили-

телем, равный –90°. С учетом исходного сдвига фаз напряжений на инвертирующем входе и выходе , равного –180°, окажется, что результирующий сдвиг фаз цепи петлевого усиления составит ϕ=

= –180° +(–90°)+(–90°) = 360°, т.е. обратная связь на частоте, с о- ответствующей точке пересечения двух ЛАХ, окажется положительной.

В лучшем случае ϕ будет несколько меньше –360°. Это позволяет сохранить устойчивость схемы, но вызывает "звон" выходного напряжения.

Для стабилизации схемы в нее вводится резистор R1 (рис. 1.25, б). Предельное усиление такой схемы оказывается равным Ku=R/R1 – показано пунктирно. Введение в схему резистора R1 означает появление в передаточной функции (пунктир) дифферен-

циатора полюса на частоте f1 = 1/2πR1C. Рабочая зона (РЗ) дифференциатора в этом случае ограничивается частотой f1.

Как и в случае интегратора, здесь вследствие эффекта Милл е- ра, практически бесконечное дифференциальное сопротивление операционного усилителя шунтируется приведенным ко входу сопротивлением Rпр = R/Ku, где Ku – коэффициент усиления исходного операционного усилителя. В силу малости Rпр (Ku велик) реальных усилителей здесь наблюдается почти идеальное дифференцирование прямоугольных импульсов (рис. 1.27, а).

На выходе дифференциатора возникают очень короткие импульсы (рис. 1.27, б), соответствующие скачкам входного сигнала.

Большим недостатком дифференциаторов на основе операционных усилителей, затрудняющим их практическое использование, является их высокая восприимчивость к шумам во входной цепи. Особенно это проявляется при работе дифференциаторов в условиях импульсных помех. Здесь важны не величины напряже-

37

ний, а их скорости изменения. Это приводит к большим паразитным сигналам на выходе дифференциаторов.

Таким образом, если нельзя обойтись без дифференциатора при работе в зашумленной среде с высокочастотными составляющими, приходится понижать его чувствительность к высокочастотным сигналам.

Для подавления высокочастотных шумов в схему дифференциатора вводят еще один полюс. Это достигается шунтированием резистора R конденсатором С1 (рис. 1.25, б). В результате передаточная функция дифференциатора

Если С1 в схеме отсутствует, то его функции выполняет иногда паразитная емкость резистора R.

И все-таки на практике использование таких схем затруднено из-за их большой восприимчивости к шумам. Действующие значения шумов сами по себе могут быть и небольшими, но высокая скорость их изменения способствует их прохождению на выход.

Контрольные задания

1.Объяснить схему построения преобразователя тока в напряжение и оценить погрешность преобразования.

2.Объяснить схему преобразователя напряжения в ток и оценить погрешность преобразования.

38