- •Аналоговая и цифровая электроника
- •Часть 1. Аналоговые устройства на операционных усилителях
- •Содержание
- •1. Введение
- •Исследовать:
- •2. Программа схемотехнического моделирования радиоэлектронных устройств Electronics Workbench
- •2.1. Общие сведения
- •2.2. Структура программы Electronics Workbench
- •2.3. Интерфейс программы Electronics Workbench
- •2.4. Создание схемы радиоэлектронного устройства с помощью программы Electronics Workbench
- •2.5. Контрольно – измерительные приборы ewb.
- •3. Элементы теории обратной связи.
- •4. Операционные усилители.
- •4.1. Основные свойства.
- •4.2. Инвертирующий усилитель.
- •4.3. Инвертирующий сумматор (суммирующий усилитель).
- •4.4. Не инвертирующий усилитель.
- •4.5. Не инвертирующий сумматор.
- •4.6. Дифференцирующее устройство.
- •4.7. Интегрирующее устройство (интегратор).
- •4.8. Импульсные усилители
- •4.9. Избирательные усилители
- •4.10. Электрические фильтры
- •4.11. Активные фильтры
- •5. Разработка схем радиоэлектронных устройств
- •5.1. Выбор базового операционного усилителя
- •5.2. Разработка измерительной схемы не инвертирующего
- •5.3. Разработка измерительной схемы активного фнч
- •5.4. Разработка измерительной схемы активного фвч
- •5.5. Измерительная хема активного полосового фильтра (пф)
- •6. Исследование схем радиоэлектронных устройств
- •6.1. Общие положения
- •6.2. Исследование влияния rос и разброса параметров элементов не инвертирующего усилителя на ку и ачх
- •6.2.1. Определение полосы рабочих частот не инвертирующего
- •6.2.2. Построение амплитудной характеристики
- •6.2.3. Определение коэффициента нелинейных искажений
- •6.2.4. Нахождение точки на амплитудной характеристике,
- •6.2.5. Определение коэффициента усиления при изменении rос
- •6.2.6. Исследование влияния r ос на ачх
- •6.2.7. Исследование влияния разброса параметров элементов на ачх
- •6.2.7.1. Исследование чувствительности схемы не инвертирующего усилителя к общему 20% разбросу параметров элементов схемы
- •6.2.7.2. Исследование чувствительности схемы не инвертирующего усилителя к 20% разбросу параметров отдельных элементов схемы
- •6.3. Исследование влияния разброса параметров элементов на ачх активного фнч
- •6.3.1. Определение рабочего диапазона частот схемы активного фнч
- •6.3.2. Исследование чувствительности активного фнч к общему 20% разбросу параметров элементов
- •6.5. Исследование влияния разброса параметров элементов на ачх активного полосового фильтра (пф)
- •6.5.1 Определение рабочего диапазона частот схемы активного пф
- •6.5.2. Исследование чувствительности активного пф к общему 20% разбросу параметров всех элементов схемы
- •3.5.3. Исследование чувствительности активного пф к 20% разбросу параметров отдельных элементов схемы
- •7. Методические указания по лабораторному практикуму
- •7.1. Определение зависимости коэффициента усиления kу не инвертирующего усилителя от сопротивления обратной связи rос
- •7.1.1. Определение полосы пропускания частот не инвертирующего усилителя
- •7.1.2. Построение амплитудной характеристики
- •7.1.3. Определение коэффициента нелинейных искажений
- •7.1.4. Определение коэффициента усиления ку при разном r ос
- •7.2. Исследование влияния r ос на ачх не инвертирующего
- •7.3. Исследование влияния разброса параметров элементов на ачх усилителя, активного фнч, активного фвч и активного пф
- •7.3.1. Исследование чувствительности к общему разбросу параметров всех элементов схемы
- •7.3.2. Исследование влияния на ачх разброса параметров отдельных элементов схемы
- •8. Отчет по лабораторному практикуму.
- •9. Контрольные вопросы.
4.5. Не инвертирующий сумматор.
Не инвертирующее включение операционного усилителя можно использовать для суммирования п (здесь п — число входных сигналов) входных напряжений. Простейшая схема трехвходового не инвертирующего сумматора представлена на рис. 4.3б. Как правило, все входные напряжения источников подключены к не инвертирующему входу ОУ через резисторы R с одинаковым сопротивлением. С помощью вычислений, которые приведены в литературе по ОУ, можно показать, что выходное напряжение n-входового сумматора при выборе сопротивлений Rос=R(n-1) определяется по формуле:
(4.10)
Таким образом, выходное напряжение не инвертирующего сумматора равно алгебраической сумме входных напряжений. Отметим, что с целью получения минимальных погрешностей при суммировании напряжений необходимо выбирать источники входных сигналов с достаточно малыми выходными сопротивлениями.
Рис. 4.4. Устройства на ОУ:
а – дифференцирующее; б – интегрирующее
4.6. Дифференцирующее устройство.
Для схемы дифференцирующего устройства (см. рис.4.4а) токи (здесь и далее аргумент t у функций мгновенных значений токов и напряжений для упрощения опущен) iс= i0+iR и поскольку i0=0, то ic = iR. Записав токи, протекающие через конденсатор и резистор, как ic=Cduвых/dt и iR=-uвых/R, получим для выходного напряжения:
(4.11)
где τa=RC– постоянная времени цепи.
Таким образом, схема рис. 4.4а производит дифференцирование входного сигнала. Дифференцирующее устройство широко применяется в интегральных импульсных устройствах.
4.7. Интегрирующее устройство (интегратор).
Поскольку в схеме рис. 4.4б i0 = 0, находим iR = uвх /R,
iC = - Cduвых / dt. Приравняв эти токи и интегрируя, получим:
(4.12)
т. е. данное устройство осуществляет интегрирование входного сигнала.
На основе интеграторов выполняют генераторы линейно изменяющегося напряжения, используемые в различных радиоэлектронных устройствах, например, в качестве генераторов разверток осциллографов, телевизоров и пр.
4.8. Импульсные усилители
Усиление импульсных сигналов осуществляют с помощью импульсных (широкополосных) усилителей [6]. При их разработке важными характеристиками усилителей является величина искажений формы входного прямоугольного импульса (рис. 4.5).
Допустимые искажения формы импульса характеризуются максимально возможными длительностями переднего фронта τф и среза τс, измеренными на уровне от 0,1 до 0,9 Uвых, а также максимально допустимым спадом плоской вершины ΔU выходного импульса (рис.4.5б).
Рис. 4.5. Импульсный усилитель:
а – б – форма импульсов на входе и выходе усилителя;
в – схема с коррекцией на быстродействующем ОУ
Известно, что вершину импульса (медленное изменение напряжения) определяет низкочастотная часть, а его передний и задний фронты (быстрое изменение напряжения) — высокочастотная часть спектра сигнала. Следовательно, для неискаженной передачи импульсов прямоугольной формы верхняя граничная частота полосы пропускания усилителя fB должна стремиться к бесконечности, а нижняя - fН — к нулю. Обычно требуемая полоса пропускания импульсных усилителей достигается введением в схему ОУ внешних цепей низкочастотной и высокочастотной коррекции, состоящих из резисторов, емкостей и индуктивностей.
Большинство импульсных усилителей в настоящее время выполняют на основе ОУ. Разделительные конденсаторы в схемах используются лишь для связи с источником входного сигнала, поэтому нижняя граничная частота усиления импульсного усилителя близка к нулю. Увеличение верхней граничной частоты достигается технологическими методами, обеспечивающими получение высокочастотных интегральных транзисторов и малых паразитных емкостей внутри каскадов усилителя.
Высокочастотная коррекция осуществляется включением в цепь питания ОУ небольших по значениям индуктивности L и конденсатора С, образующими вместе с емкостью нагрузки Сн усилителя параллельный колебательный контур. В результате емкостной характер сопротивления нагрузки компенсируется индуктивным характером сопротивления цепи питания.
Физическая сущность высокочастотной коррекции заключается во влиянии индуктивности L (ее величина — от единиц до сотен мкГ) на скорость изменения тока нагрузки усилителя. В моменты усиления фронтов импульсов емкость нагрузки Сн заряжается или разряжается токами большей величины, чем в отсутствие корректирующей индуктивности L. При этом напряжение на емкости Cн (а значит, и на нагрузке Rн) изменяется более резко, а следовательно, уменьшается длительность фронтов импульса, что приводит к увеличению верхней граничной частоты.
Низкочастотная коррекция предполагает изменение, с помощью шунтирующих RС-цепей, сопротивления между соответствующими точками схемы широкополосного усилителя на высоких частотах. Как правило, такая коррекция осуществляется либо изменением передаточной характеристики одного из элементарных каскадов, либо изменением характера входного импеданса ОУ. В любом случае при такой коррекции изменяется АЧХ усилительного каскада.
На рис. 4.5в представлена принципиальная схема импульсного усилителя на быстродействующем ОУ, в которой для высокочастотной коррекции используются навесные элементы L, С1, С2. Возможно включение и цепей низкочастотной коррекции.