uch_posobie_2014_ver_11

инвертирующим входом, поэтому ПХ ОУ имеет вертикальный участок и выходной сигнал принимает значения ±Е. Однако имеется другая обратная связь: средняя точка резистивного делителя R2 – R3 соединена с неинверти-

рующим входом ОУ. С ее помощью задается значение Uв+x = ± γЕ (в зависи-

мости от значения выходного сигнала, γ = R3/(R2 + R3) – коэффициент деления делителя).

Допустим, что входной сигнал меняет свое значение от отрицательного к положительному. На выходе схемы вначале +Е, значит на неинвертирующем входе +γЕ. Пока на инвертирующем входе напряжение меньше +γЕ, компаратор не переключается – даже при смене полярности входного сигна-

ла. Только при Uвx > +γЕ происходит срабатывание схемы и на выходе устанавливается –Е. При изменении входного сигнала в обратную сторону – от «плюса» к «минусу» на неинвертирующем входе исходно установлено –γЕ, поэтому компаратор переключается при этом значении сигнала. Зависимость

Uвыx от Uвx отдаленно напоминает петлю гистерезиса у ферромагнетиков и сегнетоэлектриков, поэтому тоже получила название гистерезисной.

7.4. Нуль-детектор

В схемотехнике одной из задач является определение моментов времени, при которых сигнал произвольной формы равен нулю («выделение нуля»). Для этого используется схема, называемая нуль-детектором или нулькомпаратором.

Схема нуль-детектора на ОУ приведена на рис. 7.7. Она содержит операционный усилитель, на инвертирующий вход которого подается входной

сигнал, и цепь обратной связи в виде диодного моста VD1 – VD4 и двух до-

полнительных источников постоянных напряжений –U0 и +U0 ( –U0 = +U0 < < E ). Получение напряжений –U0 и +U0 («порогов») не представляет технических трудностей, так как для этого можно использовать шины питания ОУ ±Е, соединив их высокоомным делителем.

В нуль-детекторе используют инвертирующее включение ОУ и охватывают его коммутируемой обратной связью (рис. 7.8).

81

1. При Uвx < –U0 на выходе ОУ из-за огромного значения КОУ образуется сигнал Uвыx = +Е; при этом диод VD1 открыт (так как Uвx < +U0), диод VD4

также открыт (так как –U0 < +E). Но диод VD3 закрыт (так как Uвx < –U0), закрыт

идиод VD2 (так как +U0 < +E) – обратная связь разорвана.

2.При –U < Uвx < +U0 открываются диоды VD1 и VD2; так как |–U0| = +U0, то на инвертирующем входе устанавливается значение сигнала, равное

Uвx ОУ = (+U0 – U0)/2 = 0 (разность сигналов Uвx – Uвx ОУ = Uвx гасится на сопротивлении R, а сопротивления R1 и R2 исключают короткое замыкание ис-

точников дополнительных напряжений друг на друга). При Uвx ОУ = 0 неза-

висимо от значения KОУ Uвыx = 0, тогда открыты и диоды VD3 и VD4. Обратная связь представляет собой короткое замыкание (если пренебречь небольшими внутренними сопротивлениями открытых диодов).

Рис. 7.9

3. При Uвx > +U0 на выходе ОУ напряжение равно Uвыx = –Е, открыты диоды VD2 и VD3, закрыты VD1 и VD4 (режим, «с точностью до наоборот» соответствующий режиму 1).

Хотя в ходе обсуждения уже установлено, что при входных сигналах, близких к нулю (уровни +U0 и –U0 можно задать малыми), на выходе нульдетектора сигнал равен нулю, а во всех остальных случаях – предельным уровням ±Е, но отметим, что к этому же результату можно прийти, пользуясь

83

универсальным соотношением для инвертирующего включения ОУ:

KU = – ZOC/Zвх.

В данном случае Zвx = R = const, а в режимах 1 и 3 равно Z OC = , то-

гда KU = − . Значит, Uвыx = –Е при положительном Uвx и Uвыx = +Е при от-

рицательном Uвx. В режиме 2 ZOC = 0, т. е. КU = 0 и Uвыx = 0. Диодный мост выполняет функцию ключа, управляемого входным сигналом.

На рис. 7.10 приведена передаточная характеристика нуль-детектора, на рис. 7.11 показано изменение формы сигнала при его прохождении через нуль-детектор. Если на неинвертирующий вход ОУ подать некоторое посто-

янное напряжение Uсм, то нуль-детектор будет иметь Uвыx = 0 при Uвx,

близких к Uсм.

8. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

Электронные ключи (ЭК) – это схемы, которые либо пропускают сигнал со входа на выход без искажений, либо подавляют его. Иначе говоря, коэффициент передачи ЭК принимает значение 1 или 0 и меняется скачкообразно. Изменение коэффициента передачи происходит под действием допол-

нительного сигнала, который называют управляющим (Uупр). Управляющий сигнал имеет форму прямоугольных импульсов. Графики сигналов на входе и выходе ЭК приведены на рис. 8.1.

Электронные ключи являются аналогами электромеханических реле, причем по большинству эксплуатационных параметров ЭК превосходят реле.

84

Существуют ЭК двух видов – последовательные (рис. 8.2, а) и параллельные (рис. 8.2, б). Очевидно, что через последовательный ключ сигнал проходит тогда, когда ключ открыт, а через параллельный – наоборот, когда ключ закрыт (при открытом параллельном ключе сигнал уходит на «землю» и не доходит до нагрузки). Поэтому некоторые параметры ЭК для параллельных и последовательных ключей определяются по разным формулам.

Параметры ЭК:

1. Коэффициент коммутации (Кк) – главный параметр, характеризующий ключ; он показывает различие в амплитудах сигналов на выходе схемы

в разных режимах ЭК. Для последовательных ЭК Кк = Uвых. отк / Uвых. зак,

для параллельных Кк = Uвых. зак / Uвых. отк (здесь Uвых. отк и Uвых. зак, со-

ответственно, амплитуды напряжений на выходе открытого и закрытого

а

б

85

ключей). Формулы составлены так, чтобы в числителе всегда находилось

большее значение Uвыx, а в знаменателе – меньшее значение. В силу этого

соображения, Кк всегда больше единицы, а в идеальном ЭК должен быть равен бесконечности. Определить коэффициент коммутации по осциллограмме

можно по формуле Кк = а/b (рис. 8.1), которая справедлива как для параллельных, так и для последовательных ЭК.

2. Коэффициент передачи (Кп) – параметр, характеризующий потери сигнала при его прохождении через ЭК (в режиме пропускания). Для после-

довательного ЭК Кп = Uвых. отк/Uвx, для параллельного Кп = Uвых. зак/Uвx.

В идеальном ключе потери сигнала отсутствуют и Кп = 1. Определить коэффици-

ент передачи по осциллограмме можно по формуле Кп = а/с (рис. 8.1), которая справедлива как для параллельных, так и для последовательных ЭК.

3.Быстродействие t. Под быстродействием понимают время переключения ЭК из одного состояния в другое.

4.Чувствительность ключа – параметр, характеризующий реакцию

схемы на управляющий сигнал, он определяется по формуле Uупр = Uупр1 –

– Uупр2, где Uупр1 – амплитуда управляющих импульсов, при которой обес-

печивается Кк = 10 (b = 0,1 а); Uупр2 – амплитуда импульсов при Кк = 1,1 (b = 0,9 а).

Если одиночный ключ работает недостаточно эффективно и обеспечивает недостаточный уровень коэффициента коммутации, то применяют соединение ЭК: ключи соединяют последовательно по основному сигналу и параллельно – по управляющему. При этом коэффициенты коммутации и пе-

редачи составного ключа можно определить по формулам: Кк = Кк1 Кк2;

Кп = Кп1 Кп2 (формулы записаны для случая, когда составной ЭК содержит два ключа, с номерами 1 и 2, но могут быть распространены и на случай, когда объединено большее количество одиночных ключей).

На рис. 8.3 приведен пример параллельного транзисторного ключа на биполярном транзисторе.

Транзистор работает в ключевом режиме и переходит из насыщения в отсечку и обратно под действием управляющего сигнала, подаваемого на его

86

базу. Сопротивление RК предотвращает закорачивание источника питания на

«землю» при насыщении транзистора, емкости Cр являются разделительными и обеспечивают развязку электронного ключа с соседними каскадами по питанию.

Недостатком как данной схемы, так и всех транзисторных ключей является наличие гальванической связи между цепями основного и управляющего сигналов. Наличие гальванической связи между цепями в транзисторных ЭК является недостатком, который отсутствует у реле, хотя по другим параметрам транзисторные ключи превосходят реле.

Указанного недостатка лишены ЭК на оптронах (оптрон – прибор, объединяющий в одном корпусе светодиод и фотодиод). Пример ключа на оптронах приведен на рис. 8.4.

Фактически в схеме (рис. 8.4) два ключа – последовательный на оптроне VD1 и параллельный на оптроне VD2. При положительной полярности управляющего сигнала загорается светодиод в оптроне VD1, образующий с ним пару фотодиод открывается и пропускает сигнал. Светодиод в оптроне VD2 остается темным, и параллельный ключ закрыт.

При смене полярности управляющего сигнала загорается светодиод в оптроне VD2, а светодиод в оптроне VD1 остается темным. Поэтому последовательный ключ закрыт, а параллельный открыт, и через него заземляется тот

87

небольшой сигнал, который смог пройти через закрытый последовательный ключ.

9. ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Генераторы «незатухающих» гармонических сигналов – это автогенераторы, в составе которых можно выделить две основные части: усилитель и цепь обратной связи (ЦОС), характеризующуюся коэффициентом передачи

цепи обратной связи: γ = UOC/Uвых, где UOC – напряжение на выходе цепи

обратной связи; Uвых – напряжение на выходе усилителя с коэффициентом усиления К. Произведение Кγ называют петлевым усилением. Обобщенная схема автогенератора приведена на рис. 9.1.

Причиной возникновения сигнала являются шумы теплового происхождения, существующие в элементах схемы. При этом для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:

Выражение (9.1) называется условием баланса амплитуд и показывает, что при самовозбуждении сигнал на выходе цепи обратной связи должен быть не меньше сигнала на входе усилителя, т. е. усиление усилителя на частоте генерации должно полностью компенсировать ослабление сигнала при прохождении цепи обратной связи. Условие (9.2) называется условием баланса фаз и показывает, что на частоте генерации фаза сигнала, прошедшего по всей цепочке «усилитель – цепь обратной связи», должна совпасть с исходной, т. е. суммарный фазовый сдвиг, наблюдаемый в автогенераторе, должен быть равен 2 n. Чтобы автоколебания возникали не на произвольной частоте, а на заранее выбранной, необходимо, чтобы оба условия генерации – баланс амплитуд (9.1) и баланс фаз (9.2) – быстро нарушались по обе стороны от расчетной частоты генерации. Для этого либо усилитель, либо ЦОС (чаще именно ЦОС) выполняют частотно- и фазово-избирательными с помощью RC- или LC- цепочек. Рост амплитуды сигнала на первой стадии генерации (при Кγ > 1)

88

сменяется стабилизацией (при Kγ l) из-за нелинейности амплитудной (или передаточной) характеристики усилителя (см. рис. 5.2 и 6.3).

Более подробно рассмотрим генераторы RC-типа: они просты в реализации, имеют малые габариты и массу. Однако форма сигнала несколько отличается от гармонической и существенно изменяется в зависимости от колебаний параметров усилителя и ЦОС.

В генераторах RC-типа обратная связь осуществляется в основном за счет RC-цепей, обладающих квазирезонансными частотными характеристиками и обеспечивающих на определенной частоте выполнение условий (9.1) и (9.2). Избирательным RC-цепям присуща невысокая добротность.

9.1. RC-генератор на основе моста Вина

Схема моста Вина (см. рис. 3.8) является полосовым фильтром. Так как в схеме моста Вина на частоте f0 сдвиг фаз равен нулю, а модуль коэффици-

ента передачи |γ(f0) | = l/3, то, включив мост Вина в цепь положительной обратной связи операционного усилителя и обеспечив К 3, получим автогенератор. Схема генератора гармонических сигналов с мостом Вина приведена на рис. 9.2.

Так как ОУ включен по неинвертирующей схеме, то соотношение сопротивлений в цепи отрицательной обратной связи и на входе ОУ должно составлять не менее

двух. АЧХ моста Вина имеет пологий характер, поэтому генераторы с такой цепью обратной связи отличаются невысокой стабильностью частоты генерации.

9.2. RC-генератор с использованием двойного Т-моста

Возможно построение RC-генераторов с использованием двойного Т-моста, схема которого приведена на рис. 3.9. Мост является режекторным фильтром. Минимум коэффициента передачи, а значит и максимум эквива-

лентного сопротивления моста, имеет место на частоте f0 = l/(2 RC).

89

Схема генератора на основе двойного Т-моста приведена на рис. 9.3. Так как двойной Т-мост обладает режекторной характеристикой и на частоте

f0 вносит фазовый сдвиг ∆ γ = , то он включается в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, что позволяет выполнить условие баланса фаз. В результате этого усилитель на всех частотах, кроме частоты f0, охвачен сильной отрицательной обратной связью. Кроме того, усилитель

охвачен неглубокой положительной обратной связью, выполненной на сопротивлениях R1, R2 и позволяющей обеспечить значение Kγ l. На всех ча-

стотах, кроме f0, преобладает отрицательная обратная связь, поэтому колеба-

ния возникают только на частоте f0.

Принцип действия автогенератора поясняет схема, приведенная на рис. 9.4. Двойной Т-мост можно рассматривать в качестве «внутренней» цепи обратной связи, опеределяющей коэффициент передачи усилителя в диапазоне частот. В полосе режекции сопротивление моста большое, поэтому коэффициент передачи усилителя тоже большой (сопротивление

моста играет роль ZOC в универсальной формуле для инвертирующего включения ОУ, см. 6.2). За пределами полосы режекции ZOC снижается и коэффициент передачи падает. Таким образом, ОУ вместе с мостом является избирательным усилителем. Зато «внешняя» ЦОС на сопротивлениях R1, R2 имеет постоянный коэффициент передачи на всех частотах.

90