Схемы оу

Коэффициенты усиления ОУ с ООС определяются по формулам:

• для инвертирующего ОУ – К_{оу ос}= , где;

• для не инвертирующего ОУ – К_{оу ос}= ;

• для повторителя ОП – К_оп= К_{оу ос}= .

1,13

Применение оу

1. Операции по амплитудным преобразованиям аналоговых сигналов.

С помощью ОУ можно изменять масштаб сигнала как с инвертированием, так и без инвертирования сигнала, суммировать сигналы с инвертированием и без инвертирования, вычитать сигналы и т. п..

2. Операция сжатия (компрессии)сигнала осуществляется в тех случаях, когда система имеет меньший динамический диапазон, чем входной сигнал. Сжатие сигнала выполняется по логарифмическому закону (компрессия): большие значения напряжения уменьшаются больше, чем малые значения (при этом собственные шумы системы будут в меньшей степени влиять на слабые сигналы).

3.Активные фильтры, интеграторы и дифференциаторы на базе ОУ.

Интегральная технология не позволяет создавать конденсаторы большой ёмкости и катушки большой индуктивности в интегральном исполнении для использования их в схемах фильтров. В связи с этим в интегральной схемотехнике широко применяются активные фильтры на базе ОУ, представляющих собой определённые комбинации ОУ с внешними по отношению к ним избирательными RC-цепями, входящими в цепи общих ООС ОУ.

4. Генераторы сигналов на ОУ.

ОУ широко используются для построения схем генераторов электрических колебаний различной формы – синусоидальной, прямоугольной, треугольной, пилообразной, ступенчатой.

5. Компараторы на ОУ.

Компараторы – это ОУ специального назначения, предназначенные для сравнения по уровню 2-х своих входных напряжений и скачкообразного изменения своего U_вых в тех случаях, когда одно из сравниваемых напряжений превышает другое. В качестве компаратора можно использовать любой ОУ, но на практике предпочтение отдаётся специально созданным компараторам

Схемы оу

Коэффициенты усиления ОУ с ООС определяются по формулам:

• для инвертирующего ОУ – К_{оу ос}= , где;

• для не инвертирующего ОУ – К_{оу ос}= ;

• для повторителя ОП – К_оп= К_{оу ос}= .

1,15Автогенераторы – это схемы усилителей (Рис7,б и 8,б) с положительной обратной связью, которые без внешних источников сигналов вырабатывают электрические сигналы различной формы в автоколебательном режиме.

В момент включения источника питания в схеме автогенератора наблюдается переходной процесс из за наличия в схеме реактивных элементов L и С. За счёт положительной обратной связи (ПОС) на управляющем электроде транзистора действует переменное напряжение, поддерживающее незатухающие колебания в схеме.

Для поддержания незатухающих колебаний в автогенераторе необходимо выполнить 2 условия: амплитудное и фазовое.

Величина напряжения ОС должна быть достаточной для поддержания незатухающих колебаний. Это амплитудное условие самовозбуждения автогенератора. Оно характеризуется величиной коэффициента К_пос, необходимой для поддержания незатухающих колебаний.

К_лос =, где К_уст. – коэффициент усиления схемы в установившемся режиме работы автогенератора.

Напряжение на базе (затворе) транзистора должно находиться в противофазе с напряжением на коллекторе (стоке). Это фазовое условие самовозбуждения автогенератора.

Преобразователи частоты – это резонансные усилители, работающие в нелинейном режиме. На вход усилителя подаётся одновременно 2 сигнала с частотами f₁ и f₂ . Из – за работы усилителя в нелинейном режиме происходит перемножение частот и появляются комбинационные частоты:

± nf₁±mf₂ ,где n и m – целые числа.

Выходной контур можно настроить на любую из комбинационных частот для выделения этой частоты. В радиоприёмниках его чаще всего настраивают на промежуточную частоту f_пр. На вход преобразователя подаются f _сигн.

и f_гетер.. Гетеродин – это маломощный автогенератор синусоидальных колебаний ВЧ. Различают 2 вида настройки приёмника:

f_пр. = f_гетер – f_сигн – приёмник с верхней настройкой;

f_пр. = f_сигн. – f_гетер. - приёмник с нижней настройкой.

Умножители частоты – это резонансные усилители с 2-мя резонансными системами (контурами): входным и выходным. Умножение частоты происходит за счёт того, что усилитель работает в нелинейном режиме. Следовательно, в спектре усиливаемого сигнала имеются высшие гармоники. Входной контур настраивается на 1-ю (основную) гармонику, а выходной контур на одну из высших гармоник (обычно на 2-ю или 3-ю). В результате частота входного сигнала увеличивается в целое число раз в выходном контуре.

LC- и RC – генераторы.

Генераторы с колебательным LC-контуром (Рис.15,а) эффективны для получения ВЧ колебаний. Для генерирования НЧ (меньше 15-20КГц) они неудобны из за больших размеров индуктивностей и ёмкостей. Поэтому для генерирования НЧ синусоидальных колебаний малой мощности широко применяют RC- генераторы. Отличие RC-генератора от LC-генератора заключается в том, что вместо нагрузочного колебательного контура применяется 4-х полюсник, собранный из резисторов и конденсаторов. Для получения генерации на определённой частоте необходимо, чтобы сумма фазовых сдвигов при обходе замкнутого кольца ОС равняласьи К_ус. УЭ являлся величиной, обратной коэффициенту обратной связи β, т. е. βК=1.

В приведенной схеме RC-генератора (Рис.15,б) отсутствует колебательный контур. Транзистор работает как обычный резистивный усилитель, обеспечивающий поворот фазы сигнала на 180⁰. 4-полюсник обратной связи, собранный на R₁,R₂,R₃ и С_1,С₂,С₃ должен обеспечить дополнительный сдвиг фазы на 180⁰, чтобы выполнялось фазовое условие самовозбуждения автогенератора. Но такой поворот происходит только на одной частоте, на других частотах сдвиг фазы больше или меньше 180⁰.

Процесс генерации происходит следующим образом. При включении питания шумовое напряжение на базе усиливается транзистором и по цепи ОС, через RC-цепочки, обратно попадает на базу транзистора. Спектр шумов очень широк, в нём присутствуют составляющие всех частот. Те частотные составляющие, которые приходят на базу с несоответствующими фазами будут ослабляться и только одна составляющая, для которой три RC-цепочки создают поворот фазы на 180⁰, станет усиливаться.

Напряжение будет возрастать, пока его не ограничит коллекторное питание. Коллекторное и базовое напряжения сами по себе сдвигаются на 180⁰ из-за УЭ и дополнительный сдвиг фазы на 180⁰ обеспечивается 4-х полюсником из резисторов и конденсаторов. Общий сдвиг фазы становится равным 360⁰ =2π, что соответствует фазовому условию самовозбуждения автогенератора.

1,16

Схема простейшего автогенератора на туннельном диоде.

  Резисторы R1 и R2 задают необходимое положение рабочей точки на участке отрицательного дифференциального сопротивления.

Эквивалентная схема автогенератора.

 Колебательный контур образован катушкой L и собственной ёмкостью С_д диода.

R_Σ – общее сопротивление (активное), учитывающее сопротивление делителя (R1,R2) и сопротивление потерь контура;

R_д – дифференциальное сопротивление падающего участка ВАХ.

Условия самовозбуждения в такой схеме будут выполняться:

.

С помощью отрицательного дифференциального сопротивления туннельного диода можно компенсировать потери в колебательном контуре и получить в нем незатухающие колебания. В зависимости от функционального назначения туннельные диоды подразделяют на: усилительные, генераторные и переключательные

Рис. 1 Автогенератор на операционном усилителе с трехзвенным RC-фильтром Схема автогенератора на операционном усилителе с фазосдвигающей RC- цепью в виде трехзвенного RC- фильтра приведена на рис.1. Выбор количества звеньев обусловлен тем, что каждое звено фильтра должно повернуть фазу колебания, подаваемого на вход операционного усилителя, на 180\N, где N-число звеньев фильтра. Из схемы видно, что это усилитель, между выходом и входом которого включена цепь, которая переворачивает фазу сигнала на 180º. Эта цепь называется фазовращающей. Фазовращающая цепочка состоит из элементов С1R1, C2R2, C3R3. С помощью одной цепочки из резистора и конденсатора можно получить сдвиг фаз не более чем на 90º. Реально же сдвиг получается близким к 60º. Поэтому для получения сдвига фазы на 180º приходится ставить три цепочки. С выхода последней RC-цепи сигнал подается на базу транзистора. Работа начинается в момент включения источника питания. Возникающий при этом импульс коллекторного тока содержит широкий и непрерывный спектр частот, в котором обязательно будет и необходимая частота генерации. При этом колебания частоты, на которую настроена фазовращающая цепь, станут незатухающими. Для колебаний остальных частот условия самовозбуждения выполняться не будут и они, соответственно, быстро затухают. Частота колебаний определяется по формуле: При этом должно соблюдаться условие: R1=R2=R3=R C1=C2=C3=C Такие генераторы способны работать только на фиксированной частоте.

1,17 Преобразователь частоты Преобразователи частоты – это резонансные усилители, работающие в нелинейном режиме. На вход усилителя подаётся одновременно 2 сигнала с частотами f₁ и f₂ . Из – за работы усилителя в нелинейном режиме происходит перемножение частот и появляются комбинационные частоты:

± nf₁±mf₂ ,где n и m – целые числа.

Выходной контур можно настроить на любую из комбинационных частот для выделения этой частоты. В радиоприёмниках его чаще всего настраивают на промежуточную частоту f_пр. На вход преобразователя подаются f _сигн.

и f_гетер.. Гетеродин – это маломощный автогенератор синусоидальных колебаний ВЧ. Различают 2 вида настройки приёмника:

f_пр. = f_гетер – f_сигн – приёмник с верхней настройкой;

f_пр. = f_сигн. – f_гетер. - приёмник с нижней настройкой

Умножители частоты – это резонансные усилители с 2-мя резонансными системами (контурами): входным и выходным. Умножение частоты происходит за счёт того, что усилитель работает в нелинейном режиме. Следовательно, в спектре усиливаемого сигнала имеются высшие гармоники. Входной контур настраивается на 1-ю (основную) гармонику, а выходной контур на одну из высших гармоник (обычно на 2-ю или 3-ю). В результате частота входного сигнала увеличивается в целое число раз в выходном контуре.

Характерная особенность У. ч. – постоянствот при изменении (в некоторой конечной области) f_вх, а также параметров У. ч. (например, резонансных частот колебательных контуров (См.Колебательный контур) или Резонаторов, входящих в состав У. ч.). Отсюда следует, что если f_вх по каким-либо причинам получила приращение Δf_вх (достаточно малое), то приращение Δf_вых частоты f_вых таково, что Δf_вх/f_вх = Δf_вых/f_вых, т. е. относительная нестабильность частоты колебаний при умножении остаётся неизменной. Это важное свойство У. ч. позволяет использовать их для повышения частоты стабильных колебаний (обычно получаемых от кварцевого задающего генератора (См. Задающий генератор)) в различных радиопередающих, радиолокационных, измерительных и др. установках

1,18,19 Цифро – аналоговые преобразователи кода в напряжение.

В аппаратуре связи, систем управления, в вычислительной и измерительной технике в качестве согласующих устройств используются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) цифровых сигналов в аналоговые и аналого- цифровые преобразователи (АЦП) аналоговых сигналов в цифровые.

ЦАП и АЦП выпускаются в виде интегральных микросхем среденей степени интеграции.

ЦАП преобразует обычно двоичный код в аналоговое напряжение. Каждый i-й разряд двоичного кода преобразуется в напряжение, величина которого соответствует напряжению младшего разряда U₀, умноженного на вес i-го разряда двоичного кода. Таким образом, например, для четырёхразрядного двоичного кода выходное напряжение ЦАП определяется выражением:

U_вых.= U₀(8Q₃+4Q₂+2Q₁+Q₀), ------ (1)

где Q₃, Q₂, Q₁, Q₀ характеризуют разряд двоичного кода.

Большинство схем ЦАП основано на суммировании токов, величина которых пропорциональна весу цифрового разряда. Генерацию и коммутацию точных токов можно получить, используя операционный усилитель в режиме суммирования входных токов, коммутируемых с помощью ключей на транзисторах. При этом используются две разновидности ЦАП: построенные на матрице с весовыми сопротивлениями (рис.16) и построенные на матрице R-2R c двумя номиналами сопротивлений (рис.17).

В первом случае весовые сопротивления подбираются так, чтобы непосредственно обеспечить весовые коэффициенты при слагаемых уравнения (1).

Идеальный операционный усилитель характеризуется бесконечно большим усилением К→и бесконечно большим входным сопротивлениемR_вх.→. При этих допущенияхU_вх.диф.= U₂₃= 0 и весь входной ток уходит по цепи обратной связи R₅ на выход схемы. Проводимость входной цепи определяется по формуле:

q = ;

Величина входного тока:

I_вх.= U_оп.*q = U_вых./ R_обр.;

Величина выходного напряжения:

U_вых.= ( U_оп.* R_обр./8R)(8Q₃ + 4Q₂ + 2Q₁ +Q₀).

Выходное напряжение меняется от 0 до ( U_оп.* 15R_обр.) / 8R и при стандартном U_оп. = 5В и R_обр = 0,8R находится в диапазоне 0 – 7, 5В. Единице разряда входного кода соответствует 0,5В выходного напряжения.

Недостатком схемы является существенное увеличение номиналов резисторов при увеличении разрядности входного кода в 2ⁿ раза, где 2ⁿ – вес данного разряда входного кода.

Избавиться от существенного разброса номиналов резисторов входной цепи позволяет многозвенная цепная схема (матрица) типа R-2R. Она формирует выходное напряжение, используя набор резисторов только двух номиналов.

В схеме (рис.17) контакт S4 соответствует 2⁰, S3 – 2¹, S2 – 2², S1 – 2³.

В обеих рассмотренных схемах построения ЦАП для увеличения точности и стабильности применяется лазерная подгонка резисторов. Обойтись без этой сложной операции позволяют ЦАП, построенные на основе перераспределения заряда, которые реализуются на конденсаторной матрице с отношением ёмкостей кратных 2ⁿ.

Примерами ЦАП могут служить микросхемы Р572ПА1, К594ПА1.