8.5. Контрольные вопросы

1. Опишите варианты встраивания в ПЛИС блоков ОЗУ, умножителей, сумматоров и микропроцессорных ядер.

2. Особенности синхронизации в ПЛИС.

3. Понятие программируемого пользователем массива узлов.

4. Архитектура адаптивной вычислительной машины.

Тема 7. Схемотехника аналоговых узлов Лекция 9. Операционные усилители

В современном оборудовании обработка и формирование сигналов, как правило, производится цифровыми методами. В то же время большинство источников сигналов выдают сигналы в аналоговом виде, который необходимо привести к удобному для дальнейших преобразований виду

( нормализовать) и преобразовать в цифровую форму. Аналогично, большинство потребителей сигналов ( например, динамики) требуют подачи на вход аналогового сигнала. То есть, выходной сигнал устройства необходимо преобразовать в аналоговый вид, усилить его и только тогда подать на исполнительное устройство. Для этих операций и используются аналоговые, аналого-цифровые и цифро-аналоговые узлы.

На рис.9.1 дано схемное обозначение операционного усилителя (ОУ).

Рис.9.1. схемное обозначение операционного усилителя

ОУ имеет два входа – инвертирующий и неинвертирующий.

Неинвертирующий вход обычно обозначается знаком ”+” или буквой ”p” (positive – положительный), а инвертирующий – знаком ”-”, буквой “n”(negative - отрицательный) и кружком. Выходное напряжение ОУ

V_OUT= K_V(V_p-V_n),

где К_V — дифференциальный коэффициент усиления ОУ.

Разность входных напряжений V_D = V_p – V_n называется дифференциальным входным напряжением.

Полусумма входных напряжений V_C = (V_p + V_n)/2 называется синфазным входным напряжением.

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное напряжение питания. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного напряжения, которые, как это показано на рис.7.1, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ. Чаще всего интегральные операционные усилители рассчитаны на напряжение питания ±15 В, хотя существует немало моделей, которые питаются от источников как существенно большего, так и заметно меньшего напряжения. В дальнейшем, рассматривая схемы на ОУ, мы, как правило, не будем указывать выводы питания.

Операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ. Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис.7.2.

Рис.9.2. Принцип отрицательной обратной связи

Выход усилителя через цепь обратной связи с коэффициентом передачи _β ( |β|≤1) связан с его входом. Выходное напряжение ОУ

V_OUT = K_VV_D = K_V(V_IN – βV_OUT)

Коэффициент усиления схемы, охваченной обратной связью,

K=V_OUT/V_IN=K_V/(1+βK_V)

Произведение βK_V носит название петлевого коэффициента усиления.

На практике K_V >> 1 (десятки и сотни тысяч), а значение β лежит в пределах 0.01…1. Тогда βK_V >> 1 и коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью), составит

K≈ 1/β

Из этого соотношения следует, что коэффициент усиления схемы с отрицательной обратной связью в основном определяется свойствами внешней цепи обратной связи и практически не зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC_цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать с высокой точностью нелинейные преобразования сигналов.