ЛекцииСАиЦУ_ФКП
.pdf
дящего в (4.2,а) коэффициента передачи k1.2 равно нулю, а петлевая передача определяется соотношением
T = ( |
|
|
R1 |
|
)K− |
|
|
(7.5) |
|||
|
R1 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
+ Rf |
|
|
|
|
|
||||
Подстановка (7.5) в (4.2,а) с учетом того, что в условиях отсутствия ОС |
|||||||||||
в схеме рис. 7.5,а исходный коэффициент усиления |
K1.2 = ( |
R f |
)K−, а в |
||||||||
R1+ R f |
|||||||||||
схеме рис. 7.5,б K1.2 = K +, дает следующие результаты: |
|
||||||||||
для инвертирующего включения (рис. 7.5,а) |
|
|
|
||||||||
K |
= |
|
R f |
α |
− |
; |
|
|
(7.6,а) |
||
|
R1 |
|
|
||||||||
1.2 f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
для неинвертирующего включения (рис. 7.5,б)
K |
= (1+ |
R f |
)α |
+ |
; |
(7.6,б) |
|
R1 |
|||||||
1.2 f |
|
|
|
|
для комбинированного включения (рис. 7.5,в)
|
|
uВЫХ |
= uВХ +(1+ |
|
R f |
)α+ −uВХ −( |
R f |
)α−, |
(7.6,в) |
|||
|
|
|
R1 |
R1 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где α− = |
|
K− |
|
|
; |
|
|
|
|
|||
|
|
|
R f |
−1 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1+ K−) 1 |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
1+ K− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α+ = |
|
K+ |
|
|
; |
|
|
|
|
|||
|
|
|
R f |
−1 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1+ K−) 1 |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
1+ K− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Так как коэффициенты усиления K− и K+ в ОУ существенно превы-
шают единичные значения, то с учетом (6.4,б) в условиях когда RR1f << K− ,
α− = |
|
1 |
|
≈1 , |
α+ = |
|
K+ K− |
≈1 + |
2 |
. |
|
|
R f |
|
|
|
R f |
|
|||||
1+ |
|
|
|
1 + |
|
μC |
|||||
R1K− |
|
|
|
R1K− |
|
|
|
||||
103
а)
б)
в)
Рис. 7.5.
104
В ОУ коэффициент ослабления синфазного сигнала μС существенно больше единицы, поэтому приемлемой для практики точностью можно сказать, что α− =α+ =1. На основании этого и соотношения (7.6) можно утвер-
ждать, что передаточные свойства приведенных на рис. 7.5. схемных конфигураций в условиях T >>1 не зависят от усилительных свойств самого ОУ и определяются только передаточными свойствами цепей ОС.
Проведенный анализ и его результаты остаются в силе при комплексном характере двухполюсников R1 и R f , т.е. когда в качестве них выступают частотно-зависимые двухполюсники Z1 и Z f .
7.4. Дифференциальные усилители на ОУ
Операционные усилители по своему схемному построению являются дифференциальными. Но их непосредственное использование в качестве ДУ обычно оказывается невозможным как из-за неприемлемо большого их усиления, так и существенной нестабильности и неопределенности этого усиления. В связи с этим построение дифференциальных усилителей с использованием ОУ осуществляется по типу устройств с глубокими ООС при комбинированном включении ОУ в схему обработки (рис. 7.5,в).
Простейшая схема ДУ этого типа приведена на рис. 7.6. В этой схеме требуемое для ДУ равенство полных коэффициентов передачи относительно неинвертирующего K f + и инвертирующего K f − входов достигается с по-
мощью дополнительного делителя R2, R3, включенного в цепь неинвертирующего входа усилителя.
Выполнению условия K f + = K f − и соответственно равенству нулю коэффициента КС, согласно (7.6,а) и (7.6,б) отвечают соотношения между значениями сопротивлений, удовлетворяющие уравнению
(1+ RR1f )α + R2R+3R3 = RR1f α .
105
Рис. 7.6.
В обычно выполняемых на практике условиях μС >>1 (α+ =α−) по-
следнему соотношению эквивалентно равенство RR1f = RR32 . В этих условиях
КС = 0, а K Д = RR1f . Недостатком рассматриваемой схемы ДУ является отно-
сительно невысокое значение ее входных сопротивлений, особенно в случаях, когда от схемы ДУ требуется получить высокое значение усиления КД. В этой схеме RВХ − = R1, а RВХ + = R2 + R3 .
Большими значениями входных сопротивлений обладает схема, организованная на двух ОУ (рис. 7.7.).
|
|
|
В схеме рис. 7.7. входные |
||||
сопротивления |
RВХ − и |
RВХ + имеют пре- |
|||||
дельно |
достижимые |
значения, |
равные |
||||
2RВХ.С . |
При |
выполнении |
условия |
||||
|
Rf |
= |
R2 |
схема обладает |
нулевым |
||
|
R1 |
R3 |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
коэффициентом передачи KC = 0 |
и диф- |
||||||
ференциальным коэффициентом усиления
КД = R f .
Рис. 7.7. R1
106
Глава 8. Устройства регулировки усиления сигналов
8.1.Регуляторы усиления
8.1.1.Назначение и место включения
Регулировку усиления применяют почти во всех усилителях. Она служит для изменения уровня выходного сигнала при постоянном входном или для поддержания постоянного уровня выходного сигнала при изменении входного, в частности предотвращения перегрузки усилителя большим сигналом, а также для точной подгонки усиления.
Простейшим примеров назначения регулировки усиления является регулировка громкости звука в бытовой радиоаппаратуре.
Регулировка может быть ручной или автоматической, плавной или ступенчатой.
Ступенчатая сложнее плавной, так как требует применения переключателя и как минимум нескольких резисторов. Обычно ее применяют в измерительных приборах для точного изменения коэффициента усиления скачками в несколько раз.
Плавную регулировку осуществляют с помощью переменного резистора и применяют наиболее часто. Отношение коэффициентов усиления, соответствующих двум крайним положениям регулятора, называется глубиной регулировки ДР, которую нередко выражают в децибелах. Регулятор усиления должен обеспечивать необходимую глубину регулировки, но не должен заметно изменять другие показатели усилителя.
Размещение регулятора на входе оконечного каскада усилителя нежелательно, так как тогда в процессе регулирования изменяется сопротивление эквивалентного генератора входного сигнала, а значит, и уровень нелиней-
107
ных искажений каскада. Кроме того, появляется опасность перегрузки предыдущих каскадов и возникновения больших нелинейных искажений.
При размещении регулятора на входе усилителя, где уровень сигнала сравнительно мал, возникает опасность его сильного ослабления, в результате чего он может стать соизмеримым с уровнем наводок и даже с уровнем собственных шумов.
Поэтому в усилителях с высокой чувствительностью (большим усилением) регулятор размещают после первого или даже второго каскада, где уровень сигнала составляет уже единицы или десятки милливольт. Если некоторое число каскадов охвачено общей петлей ООС, то включение регулятора в эти каскады обычно неприемлемо, так как эффективность регулировки была бы пониженной.
Применяется также включение регулятора в цепь ООС, охватывающей усилитель, что изменяет ее глубину, а значит и коэффициент усиления.
8.1.2. Потенциометрические и режимные регуляторы
Чаще всего применяется так называемая потенциометрическая схема регулировки усиления (рис. 8.1,а), осуществляемая включением регулирующего переменного резистора RР, имеющего три вывода по схеме потенциометра, который изменяет коэффициент деления поданного на него напряжения. При этом потенциометр может быть включен, например, непосредственно в качестве резистора RЭ в эмиттерном повторителе (рис. 8.1,а).
а) |
|
б) |
108 |
|
|
|
Рис. 8.1.
Но лучше всего регулятор полностью изолировать от постоянного напряжения разделительными конденсаторами (С1 и С2 на схеме), чтобы при перемещении движка потенциометра не возникало дополнительных помех из-за непостоянства переходного сопротивления подвижного контакта, а также для предотвращения перезаряда разделительных конденсаторов. Последнее приводило бы к кратковременным изменениям положения РТ транзисторов после каждого поворота ручки регулятора.
Чтобы добавление потенциометра RР мало изменяло напряжение в точке его подключения, сопротивления RР должно хотя бы в несколько раз превышать выходное сопротивление предыдущей части схемы. Если регулятор включается после эмиттерного или истокового повторителя, то благодаря низкому выходному сопротивлению последнего сопротивление RР может быть взято небольшим, что позволяет выносить регулятор на некоторое расстояние, например, размещать на передней панели устройства, без опасения влияния емкости подсоединительных проводников.
Если потенциометрическая схема применяется в усилителе звуковой частоты для регулировки громкости, то переменный резистор RР желательно брать типа В , т.е. с показательным законом зависимости сопротивления RХ
от угла поворота ϕ или длины перемещения l ручки регулятора. Это связано с тем, что ощущение громкости звука пропорционально логарифму уровня сигнала. Показательный закон как раз дает линейную зависимость логарифма выходного напряжения от ϕ или l и поэтому иногда называется линейно-
логарифмическим. Однако на практике такая зависимость обеспечивается лишь приблизительно, так как входное сопротивление следующего каскада обычно недостаточно велико (соизмеримо с RР).
При малых громкостях человеческое ухо хуже воспринимает звуки низких и высоких частот. Поэтому нередко применяется так называемый тонкомпенсированный регулятор громкости в виде потенциометра с фиксированным дополнительным промежуточным выводом, который шунтируется
109
на землю конденсатором или последовательной RC – цепью (рис. 8.1,а.). Благодаря этому при малых громкостях происходит уменьшение уровня составляющих на высоких и средних частотах, т.е. относительный подъем уровня на низких частотах. Одновременно вывод подвижного контакта через конденсатор небольшой емкости C3 соединяется с верхних выводом потенциометра, что обеспечивает подъем уровня сигнала на высоких частотах при малых громкостях.
Потенциометрический регулятор обеспечивает глубину плавной регулировки до 40 дБ. Если требуется больше, то могут быть включены два таких регулятора каскадно один за другим.
Для регулировки усиления переменный резистор можно включить также последовательно в цепь межкаскадной связи. Однако такая схема не позволяет ослаблять сигнал вплоть до нуля. Поэтому ее применяют редко, в основном для подгонки усиления в небольших пределах.
Плавная регулировка усиления в ограниченных пределах (до 25 дБ) осуществляется также включением переменного резистора RР в цепь эмиттера или истока транзистора (в каскадах с ОЭ и ОИ) последовательно с добавочным постоянным резистором. Она регулирует режим транзистора по постоянному току. Увеличение сопротивления RР уменьшает ток транзистора в РТ, а значит, понижает его крутизну и, кроме того, увеличивает глубину местной ООС по току. То и другое уменьшает усиление. Однако значительное увеличение сопротивления ОС при такой регулировке может привести к образованию подъема на АЧХ каскада в области верхних частот и выброса на ПХ (переходной характеристике), обусловленных действием паразитной емкости, шунтирующей резистор RР. Во избежание этого сопротивление резистора RР ограничивают или его блокируют конденсатором большой емкости. В последнем случае местная ОС исключается, и глубина регулировки уменьшается.
Распространены также схемы регулировки изменением тока в РТ транзистора, осуществляемой путем подачи управляющего напряжения (UУПР на
110
рис. 8.1,б) на базу (или затвор) транзистора через резистор R2 делителя смещения. Такие схемы применяются в основном для автоматической регулировки усиления (АРУ). Для повышения чувствительности регулировки резистор R2 может быть исключен.
Ступенчатые регуляторы обычно строятся по потенциометрической схеме и представляют собой делители напряжения состоящие из резисторов. Они могут выполнятся либо по схеме последовательного соединения нескольких резисторов (рис. 8.2,а), либо в виде набора нескольких независимых делителей (рис. 8.2,б).
а) |
б) |
Рис. 8.1.
Второй вариант хотя и сложнее, но применяется чаще, так как в нем проще подгонка элементов и выше надежность: выход из строя любого элемента нарушает работу только одного из делителей.
Из-за входной емкости следующего каскада резисторный делитель создает искажения формы импульсов и заваливает частотную характеристику на высоких частотах, так как соотношение полных сопротивлений плеч делителя становится зависящим от частоты. Это неприемлемо для широкополосных и импульсных усилителей, применяемых в милливольтметрах, осциллографах и других измерительных приборах. Для устранения указанного недостатка применяются так называемые компенсированные делители. В них резисторы шунтируются подстроечными конденсаторами, емкости которых подгоняются так, чтобы постоянные времени плеч делителя были одинаковыми,
111
например R1C1=R2C2 (рис. 8.2,б), причем в C2 должна входить (учитываться) и входная емкость следующего каскада.
8.1.3.Регуляторы в схемах на ОУ
Всхемах на ОУ потенциометрический регулятор усиления можно включить непосредственно перед инвертирующим или неинвертирующим усилителем. Во избежание нарушения закона регулирования сопротивления, присущего потенциометру, RР должно выбираться малым по сравнению с входным сопротивлением усилителя.
Кроме потенциометрических в таких усилителях широко применяют также схемы регулировки, основанные на изменении глубины ОС, так как здесь она обычно очень велика. Для такой регулировки в простейшем случае
вкачестве одного из резисторов цепи ОС инвертирующего или неинвертирующего усилителя включают переменный резистор. Однако в инвертирующем усилителе в случае переменного R1 при регулировке сильно изменяется входное сопротивление, что может оказаться неприемлемым. В качестве R2 можно включить потенциометр по схеме рис. 8.3,а.
Рис. 8.3.
Здесь перемещение движка изменяет одновременно оба сопротивления цепи ОС, но в разные стороны. Это делает закон регулировки усиления близким к показательному (линейно-логарифмическому).
Такое включение потенциометра применимо и для неинвертирующего усилителя (рис. 8.3,б). Он обеспечивает более высокое входное сопротивле-
112