ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14

Изучение работы точного выпрямителя

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследовать процессы происходящие в точных однополупериодных и двухполупериодных выпрямителях. Изучить возможные способы схемотехнического увеличения быстродействия точных выпрямителей.

ОБОРУДОВАНИЕ

Персональный компьютер IBM PC на базе процессоров Intel Pentium (и выше). Программа моделирования, основанная на использовании SPICE моделей.

ВВЕДЕНИЕ

Активный выпрямитель.

Иногда необходимо помимо силовых напряжений выпрямлять низковольтные сигналы от различных источников, например, датчиков. Если амплитуда сигналов меньше, чем падение напряжения на диоде, то выпрямлять такие сигналы с помощью диодно-резистивной схемы нельзя. Как правило, для выпрямления таких сигналов прибегают к помощи ОУ и помещают диод в цепь обратной связи (рис. 1).

Рис. 1

Для положительного напряжения U_вх диод обеспечивает отрицательную обратную связь, выходной сигнал за счёт диода повторяет сигнал на входе, причём исключается влияние падения напряжения U_бэ. При отрицательном напряжении U_вх операционный усилитель переходит в режим насыщения и напряжение U_вых становится равным потенциалу земли. Для получения меньшего выходного импеданса (при нуле на выходе) можно взять резистор R с меньшим сопротивлением, но это ведёт к увеличению выходного тока операционного усилителя. Лучше всего использовать на выходе схемы повторитель на ОУ, при этом выходное сопротивление будет очень небольшим независимо от величины сопротивления R.

Представленная схема обладает недостатком, который сказывается при работе с быстро изменяющимися сигналами. Выходной сигнал операционного усилителя не может изменяться бесконечно быстро, в связи с этим восстановление при переходе из режима насыщения в активный режим (выходной сигнал проходит через нуль в направлении снизу вверх) занимает некоторое время, в течение которого состояние входа является неправильным. Для операционного усилителя общего назначения типа LM411 скорость нарастания (максимальная скорость изменения выходного сигнала) составляет 15 В/мкс; следовательно, восстановление при переходе из режима насыщения в активный режим занимает приблизительно 1 мкс – это может привести к серьёзным выходным ошибкам для быстрых сигналов. Положение дел можно исправить, если воспользоваться модификацией рассмотренной схемы (рис. 2).

Рис. 2

Благодаря диоду Д₁ с отрицательными входными сигналами схема работает как инвертор с единичным коэффициентом усиления. Для положительных входных сигналов диод Д₂ ограничивает выходное напряжение первого ОУ по уровню, который ниже потенциала земли на величину падения напряжения на диоде, и так как диод Д₁ смещён в обратном направлении, то U_вых равно потенциалу земли. Эта схема даёт лучший результат, так как при переходе входного сигнала через нуль напряжение на выходе изменяется всего лишь на удвоенную величину падения напряжения на диоде. В связи с тем что напряжение на входе операционного усилителя должно измениться только на 1,2 В, вместо того чтобы изменяться на величину U_ээ, динамическая ошибка при переходе через нуль уменьшается более чем в 10 раз. Кстати говоря, этот выпрямитель является инвертирующим. Если же выходной сигнал должен быть неинвертированным, то к выходу нужно подключить инвертор с единичным коэффициентом усиления.

Характеристики приведённых здесь схем будут лучше, если использовать в них операционные усилители с большой скоростью нарастания. Скорость нарастания влияет на характеристики простых усилителей напряжения.

Схема выделения модуля абсолютного значения сигнала.

Схема, показанная на рис. 3, позволяет получать на выходе положительное напряжение, равное абсолютной величине входного сигнала; она представляет собой двухполупериодный выпрямитель. Как обычно, операционные усилители с цепью обратной связи устраняют влияние падений напряжения на диодах, характерное для пассивного выпрямителя.

Рис. 3

На рис. 4 показана ещё одна схема определения абсолютного значения. Она представляет собой сочетание вспомогательного инвертора (ИС₁) и активного ограничителя (ИС₂). При положительных уровнях входного напряжения ограничитель не влияет на работу схемы, его выход находится в насыщении, и в результате ИС₁ работает как инвертор с единичным коэффициентом усиления. Таким образом, выходное напряжение по абсолютному значению равно входному. При отрицательных уровнях входного напряжения ограничитель поддерживает на неинвертирующем входе ИС1 напряжение, равное потенциалу земли, и при этом ИС₁ работает как инвертор с единичным коэффициентом усиления. Таким образом, выходное напряжение равно абсолютной величине входного напряжения. Если ИС₂ запитывается от единственного источника положительного напряжения, то отпадают проблемы, связанные с конечной скоростью нарастания, так как напряжение на выходе ограничителя изменяется лишь в пределах падения напряжения на диоде.

Рис. 4

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1. Соберите принципиальные схемы, показанные на рис. 1, 2, 3, 4. На вход Uвх необходимо подать синусоидальный сигнал заданной частоты. Значение частоты и тип операционного усилителя уточнить у преподавателя.

2. Определите какая из схем двухполупериодных выпрямителей обладает более высоким быстродействием и почему?

3. Найдите приблизительно верхнюю рабочую частоту всех схем по уровню искажений сигнала не более 10%.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие способы увеличения быстродействия вы знаете?

2. Какие способы улучшения точности знаете?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. // Т.1-2, М.:Мир,1983.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. // Т.1-3, М.:Мир,1993.

3. Жеребцов И.П. Основы электроники. // Л.:Энергоатомиздат,1989.

5. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC. / Томпкинс

У., Уэбстр Дж. - М.:Мир,1992.

8. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. // М.:Мир,1982.

9. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. //

М.:Мир,1985.

11.Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике. //

Т.1-2, М:Энергоатомиздат,1991.

12.Пейтон Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. //

М.:БИНОМ, 1994.

13.Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. // М.: Гелиос АРВ, 2002.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Список элементов:

Описание	Название элемента	Название библиотеки
резистор	R	analog.slb
Диод	D1N914, 1N4148, 1N4007 (или анологичные)	Diode.slb
операционный усилитель		opamp.slb
источник напряжения	Vsrс	sourse.slb
источник управляющего напряжения	Vpulse	sourse.slb
“земля”	AGND	port.slb
соединители	bubble	port.slb

5