- •1. Структурная схема блока питания, назначение и описание её элементов. Однополупериодный выпрямитель: основные характеристики, достоинства и недостатки.
- •3. Стабилизаторы постоянного напряжения, область применения, параметрические и компенсационные стабилизаторы, описание их работы.
- •6. Точный выпрямитель: принцип работы, область применения, достоинства и недостатки.
- •7. Точный выпрямитель с использованием параллельной отрицательной обратной связи: принцип работы, область применения. Достоинства и недостатки.
- •8. Измеритель среднего значения переменного напряжения: назначение, область применения. Примеры реализации, расчёт.
- •10. Фазочувствительные выпрямители с параллельно-последовательными ключами: принцип работы, коэффициент передачи при разных положениях ключей. Достоинства, недостатки.
- •11. Логарифмические и антилогарифмические усилители, их применение при реализации нелинейных математических операций.
- •12. Экспоненциальный усилитель на основе полупроводникового диода, на основе транзисторного диода, на основе дифференциального включения идентичных транзисторов. Достоинства и недостатки.
- •14. Генераторы треугольных колебаний: назначение, область применения, вывод расчётных соотношений для периода генерируемых колебаний. Достоинства и недостатки.
- •15. Генератор синусоидальных колебаний: назначение, область применения, его состав (усилитель, фазосдвигающая цепь). Баланс фаз, баланс амплитуд. Принцип работы.
- •16. Генераторы синусоидальных колебаний на основе резистивно-емкостных цепей: устройство, принцип работы, особенности фазосдвигающих цепей, расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.
- •17. Генераторы синусоидальных колебаний на основе моста Вина: устройство, принцип работы, особенности фазосдвигающих цепей, расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.
- •18. Структурная схема информационного преобразователя переменного напряжения: состав и назначение элементов, описание их работы, область применения.
- •20. Двухпроводные измерительные схемы для резистивных датчиков: назначение, область применения. Вывод погрешности преобразования от влияния сопротивления проводов линии связи.
- •21. Трехпроводные измерительные схемы для резистивных датчиков: назначение, область применения. Вывод погрешности преобразования от влияния сопротивления проводов линии связи.
- •22. Четырехпроводные измерительные схемы для резистивных датчиков: назначение, область применения. Вывод погрешности преобразования от влияния сопротивления проводов линии связи.
- •25. Функциональные схемы измерительного преобразователя для индуктивного и емкостного датчиков: назначение элементов, описание их работы, вывод уравнения преобразования.
- •26. Формирователи управляющих напряжений для фазочувствительных выпрямителей: принцип построения, принцип работы, область применения.
- •27. Преобразователь «напряжение-ток»: принцип работы, область применения, основные расчётные соотношения.
- •28. Дифференциальный усилитель на основе одного операционного усилителя: принцип работы, область применения, основные расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.
- •29. Дифференциальный усилитель на основе двух операционных усилителей: принцип работы, область применения, основные расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.
- •30. Дифференциальный усилитель на основе трех операционных усилителей: принцип работы, область применения, основные расчётные соотношения. Достоинства и недостатки.
3. Стабилизаторы постоянного напряжения, область применения, параметрические и компенсационные стабилизаторы, описание их работы.
Практически все электрические схемы промышленной электроники требуют стабильного источника напряжения, в котором выходное напряжение остается неизменным, несмотря на изменение входного напряжения или изменения нагрузки. Для этих целей используются стабилизаторы напряжения. Существуют параметрические и компенсационные стабилизаторы. Первые основаны на использовании нелинейных элементов, как правило, стабилитронов. Последние основаны на автоматическом регулировании выходного напряжения.
В параметрическом стабилизаторе напряжения используется нелинейная зависимость тока от напряжения полупроводникового стабилитрона. Типовая вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 1а, а схема параметрического стабилизатора на рис. 1б.
Рис.1. Вольтамперная характеристика стабилитрона – а), схема параметрического стабилизатора – б)
В данной схеме – балластный резистор, который выбирается из следующих соображений:
,
где – входное минимальное напряжение;
– напряжение стабилизации, оно же напряжение на нагрузке;
– максимальный ток нагрузки;
– минимальный ток стабилитрона.
Найдем коэффициент подавления пульсаций входного напряжения:
.
Пусть в исходном состоянии напряжение на входе , тогда
или .
Если входное напряжение, например, увеличилось на напряжение , тогда можно записать
.
Вычитая из предыдущего равенства последнее, получаем:
,
где r – динамическое сопротивление стабилитрона, справочная величина. Тогда
, , следовательно .
Найдем выходное сопротивление параметрического стабилизатора. Пусть ток нагрузки изменится на , тогда
, ,
,
,
, .
Таким образом, выходное сопротивление стабилизатора определяется динамическим сопротивлением стабилитрона.
Существуют две схемы компенсационных стабилизаторов напряжения: с последовательным и параллельным регулирующим элементом, функциональные схемы которых представлены на рис. 2.
На схемах приняты следующие обозначения: РЭ – регулирующий элемент; СС – схема сравнения; ИОН – источник опорного напряжения; , – резистивный делитель; – сопротивление нагрузки.
Рис.2. Функциональные схемы компенсационных стабилизаторов: а) с последовательным регулирующим элементом; б) с параллельным регулирующим элементом.
В стабилизаторах с последовательным РЭ он включен последовательно с источником входного напряжения и нагрузкой . Если по какой-либо причине (например, из-за нестабильности или при изменении ) выходное напряжение отклонилось от своего номинального значения, то разность между опорным напряжением и напряжением с делителя , изменяется. В схеме сравнения она усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически изменяется и напряжение распределяется между РЭ и таким образом, чтобы компенсировать произошедшее изменение на нагрузке.
В схеме компенсационного стабилизатора с параллельным РЭ при отклонении выходного напряжения от номинального выделяется сигнал, равный разности опорного напряжения и напряжения с делителя , . Этот сигнал усиливается в схеме сравнения и воздействует на регулирующий элемент РЭ, включенный параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента изменяется. Вследствие этого на балластном резисторе , включенном последовательно с сопротивлением нагрузки , изменяется падение напряжения, а напряжение на выходе остается стабильным.
Наиболее часто используются стабилизаторы с последовательным регулирующим элементом, а стабилизаторы с параллельным РЭ используются в основном как замена стабилитронов.
4. Операционные усилители: назначение, область применения. Операционный усилитель с параллельной отрицательной обратной связью, примеры использования (интегратор, дифференциатор, инвертирующий усилитель, инвертор).
Операционный усилитель (ОУ) – универсальное усилительное устройство, изначально предназначенное для выполнения математических операций – отсюда и название – операционный. Графическое обозначение ОУ дано на рис.1.
Рис.1. Графическое обозначение ОУ, – коэффициент усиления ОУ
Кроме отмеченных выводов схемы ОУ имеют еще выводы питания, при необходимости, выводы частотной коррекции, балансировки, задания тока потребления и пр.
Абсолютные значения трех сигнальных напряжений, отсчитываемых относительно общего вывода питания, находятся в пределах питающих напряжений. Как правило, напряжения питания , . При этом, размах выходного напряжения и входных напряжений , симметричен в обеих полярностях и гарантированно перекрывает диапазон .
Основным свойством ОУ является его чувствительность к разности входных напряжений, а не к их абсолютным значениям. Вследствие этого вводятся два понятия: синфазное входное напряжение (общая составляющая напряжений на входах, которая должна подавляться) и дифференциальное входное напряжение , на которое усилитель реагирует. Будем считать, что , .
Для понимания работы схем с использованием ОУ полагают, что ОУ «идеален». Под идеальным ОУ понимается следующее: – коэффициент усиления ОУ равен бесконечности; входное сопротивление ; выходное сопротивление ; коэффициент подавления синфазного входного напряжения равен ∞. Понятно, что с таким коэффициентом усиления ОУ неприменим. Поэтому он предназначен для работы с глубокой отрицательной обратной связью. Различают два вида широко используемой обратной связи в схемах с ОУ. Это параллельная и последовательная отрицательные обратные связи.
На рис. 2 представлена схема с ОУ, охваченным параллельной отрицательной обратной связью.
Рис.2. Параллельная отрицательная обратная связь
Из свойств идеального ОУ вытекает, что разность между инвертирующим и неинвертирующим входами чрезвычайно мала и входы можно считать виртуально (квази) закороченными. Выходное напряжение для данной схемы можно найти из следующих соображений. Поскольку инвертирующий вход – точка суммирования, находится под нулевым потенциалом, то ток, протекающий по резистору , является входным током, который будет определяться следующим соотношением , а выходное напряжение , откуда коэффициент усиления схемы с параллельной ООС будет равен , то есть определяется не свойствами ОУ, а элементами ОС , .
Рассмотрим ряд схем, реализованных на основе ОУ с параллельной ООС, представленных на рис.3. На рис.3а представлена схема инвертора или схема умножения входного напряжения на . Это достигается тем, резисторы . На рис.3б представлена схема дифференциатора. Поскольку , а , который в то же время равен (инвертирующий вход виртуально заземлен), то , .
На рис.3в представлена схема дифференциатора с использованием индуктивности L. Для нее справедливо , то есть, как и в схеме с использованием конденсатора, выходное напряжение пропорционально производной от входного. На рис.3г, 3д представлены схемы интеграторов входного напряжения. Для схемы на рис.3г справедливо
, , , .
Аналогично имеем для схемы на рисунке 3д
, , .
На рис.3е представлен преобразователь ток-напряжение. В данной схеме источник тока виртуально заземлен (схема имеет неоспоримые преимущества по сравнению с преобразователями ток-напряжение на основе низкоомных резисторов-шунтов). Выходное напряжение пропорционально входному току. Коэффициент пропорциональности – сопротивление . На рис.3ж представлена схема сумматора. Здесь в точке суммирования складываются входные токи, протекающие по входным резисторам. Суммарный ток протекает по резистору обратной связи и создает выходное напряжение.
На рис.3з представлен дифференциальный усилитель. Выходное напряжение схемы пропорционально разности .
Некоторым недостатком схем с параллельной ООС является невысокое входное сопротивление, определяемое входным сопротивлением .
Достоинство данных схем состоит в том, что отсутствует синфазная составляющая входного сигнала. Неинвертирующий вход заземлен .
Рис.3. Схемы на основе ОУ с параллельной ООС
5. Основные параметры операционных усилителей: основные параметры, коэффициент усиления, коэффициент подавления синфазной составляющей, входное и выходное сопротивления, напряжение питания. Операционный усилитель с последовательной отрицательной обратной связью, примеры использования (повторитель, сумматор, дифференциальный усилитель).
Операционный усилитель (ОУ) – универсальное усилительное устройство, изначально предназначенное для выполнения математических операций – откуда и его название операционный. Графическое обозначение ОУ дано на рис.1.
Рис.1. Графическое обозначение ОУ, – коэффициент усиления ОУ
Кроме отмеченных выводов схемы ОУ имеют еще выводы питания, при необходимости, выводы частотной коррекции, балансировки, задания тока потребления и пр.
Абсолютные значения трех сигнальных напряжений, отсчитываемых относительно общего вывода питания, находятся в пределах питающих напряжений. Как правило, напряжения питания , . При этом, размах выходного напряжения и входных напряжений , симметричен в обеих полярностях и гарантированно перекрывает диапазон .
Основным свойством ОУ является его чувствительность к разности входных напряжений, а не к их абсолютным значениям. Вследствие этого вводятся два понятия: синфазное входное напряжение (общая составляющая напряжений на входах, которая должна подавляться) и дифференциальное входное напряжение , на которое усилитель реагирует. Будем считать, что , .
Для понимания работы схем с использованием ОУ полагают, что ОУ «идеален». Под идеальным ОУ понимается следующее: – коэффициент усиления ОУ равен бесконечности; входное сопротивление ; выходное сопротивление ; коэффициент подавления синфазного входного напряжения равен ∞. Понятно, что с таким коэффициентом усиления ОУ неприменим. Поэтому он предназначен для работы с глубокой отрицательной обратной связью. Различают два вида широко используемой обратной связи в схемах с ОУ. Это параллельная и последовательная отрицательные обратные связи.
На рис. 2 представлена схема с ОУ, охваченным параллельной отрицательной обратной связью.
Рис.2. Параллельная отрицательная обратная связь
Из свойств идеального ОУ вытекает, что разность между инвертирующим и неинвертирующим входами чрезвычайно мала и входы можно считать виртуально (квази) закороченными. Выходное напряжение для данной схемы можно найти из следующих соображений. Поскольку инвертирующий вход – точка суммирования, находится под нулевым потенциалом, то ток, протекающий по резистору , является входным током, который будет определяться следующим соотношением , а выходное напряжение , откуда коэффициент усиления схемы с параллельной ООС будет равен , то есть определяется не свойствами ОУ, а элементами ОС , .
Схема ОУ с последовательной отрицательной обратной связью представлена на рис. 3.
Рис.3. Последовательная отрицательная ОС
В данной схеме часть выходного напряжения передается на инвертирующий вход через делитель , . Напряжение на инвертирующем входе равно
.
Напряжение на неинвертирующем входе равно . Поскольку входы ОУ виртуально заземлены , то справедливо равенство
, ,
откуда
, .
Таким образом, коэффициент усиления схемы определяется, как и прежде, только соотношением сопротивлений резисторов , и не зависит от свойств ОУ. Несколько схем включения ОУ с последовательной ОС представлено на рис. 4.
На рис.4а представлена схема сумматора. Напряжение , а напряжение находится следующим образом
,
где .
Рис.4. Схемы на основе ОУ с последовательной ООС
Таким образом, выходное напряжение представляет собой сумму входных напряжений, взятых с определенным весовым коэффициентом.
.
На рисунке 4б представлена схема повторителя. , . Достоинством схемы является высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление . Схема используется для обеспечения высокого входного и низкого выходного сопротивлений. Недостатком схем с последовательной ООС является высокий уровень синфазного напряжения, равный напряжению на неинвертирующем вход.