3.2. Операционный усилитель
Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.
В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.
Рис.5 Операционный усилитель
Расчет коэффициента усиления
Kv=Uвых/Uвх=(R1+R2)/R1
На первом операционном усилителе:
R1=0,01 В
R2=1,2 В
Kv=120
На втором операционном усилителе:
R1=1,3 В
R2=1.6 В
Kv=1,23
3.3. Полосовой фильтр
Полосно-пропускающий фильтр — фильтр, который пропускает частоты, находящиеся в некоторой полосе частот.
Полосовой фильтр — линейная система и может быть представлен в виде последовательности, состоящей из фильтра нижних частот и фильтра высоких частот.
Рис.6 Принципиальная схема полосового фильтра
Этот полосовой фильтр состоит из двух активных фильтров высоких и низких частот второго порядка, называемые схемой Саллена-Ки.
Принципиальная схема такого фильтра приведена на рис.6
Характеристика таких фильтров изображена на рис.7
Для того чтобы фильтр низких частот стал фильтром высоких частот на потребовалось поменять местами R и C.
R=k1/C*fc
Rf=Ri*k2
Где k1=0.1592;
k2=0.586;
Ri=10 кОм;
C=0.01 мкФ;
fc1=100 Гц ;
fc2=500 Гц ;
Тогда для фильтра низких частот:
R=0.1592/100*0.0000001=15.92 кОм
Rf=10000*0.586=5.86 кОм
А для фильтра высоких частот:
R=0.1592/500*0.0000001=3.184 кОм
Rf=5.86 кОм
Рис 7. Характеристика полосового фильтра
на схеме Сллена-Ки.
3.4. Компаратор
Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U1вых - U0вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами - или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.
Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при Uвх близком к нулю. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении Uвх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем. Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый "дребезг"). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис. Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора , но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг Uвых.
В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) . Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD1 и диод VD2.
Рис. 8 Схема компаратора на ОУ
Пусть R1 = R2. Если Uвх - Uоп > 0, то диод VD2 открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При Uвх - Uоп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации Uст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. Включение по схеме обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100%-ной обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс.
В соответствии с условием задания, в измерительном канале использован компаратор LM 361 фирмы ОА Альфа.
Uоп=500*10/1000=5 В.
Технические данные: Табл.2 Высокоскоростной компаратор с малым напряжением смещения.
-
Напряжение питания
Vcc:
4.75 - 5.25 В
V+:
+5 - 15 В
V−:
−6 - −15 В
Ток питания (Icc):
20 мА макс.
Время срабатывания:
14 нс
Напряжение смещения
1 мВ
Коэффициент усиления:
3 В/мВ
Температурный диапазон:
0 - 70 °C
Время задержки:
2 нс