15) Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным входом. Прообразом ОУ может служить классический дифференциальный усилитель с двумя входами и несимметричным выходом; правда, следует отметить, что реальные операционные усилители обладают значительно более высокими коэффициентами усиления и меньшими выходными импедансами, а также допускают изменение выходного сигнала почти в полном диапазоне питающего напряжения. Условное обозначение, принятое для всех типов, представлено на рис. 1; входы обозначают (+) и (-), и работают они, следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (-), и наоборот.

Символы "+" и "-" не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала. Поэтому лучше называть входы "инвертирующий" и "неинвертирующий". На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи.

Неинвертирующий усилитель

Рассмотрим схему на рис. 4.

Анализ ее крайне прост: U_A=U_вх. Напряжение U_A снимается с дели-теля напряжения: U_A=U_выхR₁/(R₁+R₂). Если U_A=U_вх, то коэффициент усиления U_вых/U_вх=1+R₂/R₁. Это неинвертирующий усилитель. Вход-ной импеданс этого усилителя бесконечен. Выходной импеданс равен долям ома.

Эта схема также представляет собой усилитель постоянного тока. Если источник сигнала и усилитель связаны между собой по переменному току, то для входного тока (очень небольшого по величине) нужно предусмотреть заземление, как показано на рис. 5. Для представленных на схеме величин компонентов коэффициент усиления по напряжению равен 10, а точке -3 дБ соответствует частота 16 Гц.

Усилитель переменного тока. Если усиливаются только сигналы переменного тока, то можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, особенно если усилитель обладает большим коэффициентом усиления по напряжению. Это позволяет уменьшить влияние всегда существующего конечного "приведенного ко входу напряжения сдвига". Для схемы, представленной на рис. 6, точке -3 дБ соответствует частота 17 Гц; на этой частоте импеданс конденсатора равен 2,0 кОм. Конденсатор должен быть большим. Если для построения усилителя переменного тока использовать неинвертирующий усилитель с большим усилением, то конденсатор может оказаться чрезмерно большим. В этом случае лучше обойтись без конденсатора и настроить напряжение сдвига так, чтобы оно было равно нулю. Можно воспользоваться другим методом - увеличить сопротивления резисторов R₁ и R₂ и использовать T-образную схему делителя.

Инвертирующий усилитель не предъявляет столь высоких требований к ОУ и, следовательно, обладает несколько лучшими характеристиками. Кроме того, благодаря мнимому заземлению удобно комбинировать сигналы без их взаимного влияния друг на друга. И наконец, если рассматриваемая схема подключена к выходу (стабильному) другого ОУ, то величина входного импеданса для вас безразлична - это может быть 10 кОм или бесконечность, так как в любом случае предыдущий каскад будет выполнять свои функции по отношению к последующему.

16)Дифференциальный усилитель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Дифференциальный усилитель предназначен для усиления сигналов постоянного тока или в качестве усилителя сигналов низкой частоты. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей. Любой ДУ выполняется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами и, а два других - транзисторамии. Сопротивление нагрузкивключено в диагональ моста. Резисторы цепи ПООСТиобычно невелики или вообще отсутствуют, поэтому можно считать, что резисторподключен к эмиттерам транзисторов. Двухполярное питание позволяет обойтись на входах (выходах) ДУ без мостовых схем за счет снижения потенциалов баз (коллекторов) до потенциала общей шины. Рассмотрим работу ДУ для основного рабочего режима - дифференциального. За счет действиятранзисторприоткрывается, и его ток эмиттера получает приращение, а за счет действиятранзисторпризакрывается, и ток его эмиттера получает отрицательное приращение. Следовательно, результирующее приращение тока в цепи резисторапри идеально симметричных плечах близко к нулю и, следовательно, ООС для дифференциального сигнала отсутствует.

17) Функциональные преобразователи (ФП) – преобразовательные элементы электронных измерительных структур, служащие для преобразования сигналов измерительной информации в соответствии с заданной нелинейной зависимостью. Реализация аналоговых ФП осуществляется двумя способами.

Первый предполагает использование элементов с естественной нелинейностью ВАХ (вольт-амперной характеристики) в сочетании с линейной цепью, нужным образом корректирующей характеристику нелинейного элемента.

Вторым способом создания ФП является построение цепи, обеспечивающей ступенчатое изменение постоянных коэффициентов gi (i=1,2…m), её функции преобразования Uвых=F(Uвх,gi), в зависимости от входной величины, например напряжения. Этот способ позволяет реализовать кусочно–ступенчатую, кусочно-линейную и кусочно-нелинейную аппроксимацию монотонных функций. Входное сопротивление функционального преобразователя не должно быть ниже 10...50 кОм, выходное — не выше 10...20 Ом. Функциональный преобразователь должен обладать также достаточной выходной мощностью для удобства сопряжения с другими элементами. Функциональное преобразование должно выполняться над входными величинами, заданными в виде напряжений постоянного тока в диапазоне значений, допускаемых для используемых при этом операционных усилителей.

18) Избирательные усилители позволяют усиливать сигналы в ограниченном диапазоне частот, выделяя полезные сигналы и ослабляя все остальные. Это достигается применением специальных фильтров в цепи обратной связи усилителя. Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи отрицательной обратной связи показана на рисунке:

На квазирезонансной частоте коэффициент передачи фильтра в цепи отрицательной обратной связи равен нулю, Uвых максимально. При частотах слева и справа от f0 коэффициент передачи фильтра стремится единице и Uвых = Uвх. Таким образом фильтр выделяет полосу пропускания Δf, а усилитель осуществляет операцию аналогового усиления. Пусть на вход подается прямоугольный импульс Uвх. На интервале t1...t2 амплитуда Uвх равна U. Так как входной ток ОУ равен нулю,

то |iвх| = |-ic|, iвх = Uвх/R1, ic =C·dUвых/dt.

Uвх/R1 = C · dUвых/dt или

где Uвых(0) – напряжение на выходе (конденсаторе С) к моменту начала интегрирования (к моменту t1). τ=R1 · C – постоянная времени интегрирования, т.е. время, в течение которого Uвых изменится на величину ΔUвых = U.

Таким образом выходное напряжение на интервале t1...t2 изменяется по линейному закону и представляет интеграл от входного напряжения. Постоянная времени должна быть такой, чтобы до конца интегрирования Uвых < Eпит.