22375

Усилитель переменного тока на ОУ с одним источником питания

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Усилитель переменного тока на ОУ с одним источником питания рис.1 Рис. Рис. ОУ в выходном каскаде бустерная схема рис.

Русский

2013-08-04

1.29 MB

44 чел.

Лекция 11

Содержание лекции

Применение ОУ. Усилители переменного тока с одним источником питания. ОУ в выходном каскаде.  Слаботочный стабилизатор напряжения.  Интегратор. Дифференциатор. Сумматор. Компаратор. Ограничители напряжения.

11.ПРИМЕНЕНИЕ ОУ

11.1. Усилитель переменного тока на ОУ с одним источником питания (рис.11.1 )

                 

Рис.11.1-Усилитель переменного тока с одним источником питания.          Рис.11.2 -  Бустерная схема

Усилитель организуют так, чтобы напряжение питания делилось пополам и подавалось на неинвертирующий вход, т.е. происходило смещение уровня  выходного сигнала в положительную область.

При этом вдвое уменьшается динамический диапазон выходного сигнала.

11.2. ОУ в выходном каскаде - бустерная схема (рис.11.2)

Не надо смещать двухтактную пару в состоянии      покоя, т.к. нелинейные искажения будут  устранены действием ООС.

11.3. Слаботочный стабилизатор напряжения (рис. 11.3) 

Рис.11.3. Слаботочный стабилизатор напряжения

.

Здесь  , где   EMIN  -   минимальное  напряжение         источника,

ICT -ток стабилизации стабилитрона

Можно использовать другую схему (рис. 11.4).

Рис.11.4. Слаботочный стабилизатор напряжения с источником питания

11.4. Интегратор на ОУ (рис.11.6)

Интегрирующие цепи. Интегрирующей называют цепь, у которой выходное напряжение пропорционально интегралу по времени от входного напряжения:

В схеме интегратора выходное напряжение снимается с конденсатора.   Применяются интегрирующие цепи чаще всего для получения линейно изменяющихся (пилообразных) напряжений.

Напряжение на выходе интегрирующей цепи определяется равенством  

Когда напряжение на конденсаторе С незначительно по сравнению с падением напряжения на резисторе R т. е.

 (11.24)

то величина тока i в цепи пропорциональна входному напряжению, которое прикладывается ко всей цепи. Поэтому

.

Очевидно, что условие интегрирования (11.24) будет выполнено при для синусоидального сигнала и при — для импульсного сигнала, следовательно, для получения достаточной точности интегрирования необходима достаточно большая величина постоянной времени цепи по сравнению с периодом Т входного напряжения.

Рассмотрим физические процессы, протекающие в интегрирующей цепи при воздействии на ее вход периодической последовательности импульсов прямоугольной формы (рис. 11.5,б).

Рис.11.5. Интегрирующая  RС-цепь: a- схема: б,  в-диаграммы напряжений

При малых постоянных времени цепи выходное напряжение фактически повторяет форму входных импульсов, поскольку конденсатор успевает практически полностью зарядиться за время, составляющее малую часть длительности импульса. При этом условие интегрирования не выполняется.

При выполнении условия интегрирования в момент поступления   импульса на вход цепи,   все   входное напряжение   оказывается    приложенным к резистору, а напряжение на конденсаторе равно нулю. Далее в период   времени происходит медленный  заряд конденсатора и напряжение на нем медленно возрастает (рис.11.5,в).   К моменту окончания входного импульса напряжение на конденсаторе не успевает достигнуть величины напряжения Uт. После окончания входного импульса конденсатор так же медленно разряжается. Будем считать, что длительность  выходного импульса после окончания импульса на входе будет равна Таким образом, на емкостном выходе цепи будут выделяться растянутые импульсы, имеющие форму экспоненциальной пилы. Чем лучше  выполняется неравенство , тем точнее интегрирование и тем ближе к линейному закон изменения выходного напряжения.

Схема интегратора на ОУ приведена на рис 11.6.

Рис.11.6. Схема интегратора на ОУ

Т.к. потенциал точки ”а”   0, то IR= – IC,         но ,    , т.е.                  .

Интегрируя обе части равенства, получим

.              При RC = 1                .

11.5.Дифференциатор на ОУ (рис.11.7)

Дифференцирующие цепи. Дифференцирующими называют цепи, у которых напряжение на

выходе пропорционально производной входного напряжения, т. е.

                   (11.1)

Схемы дифференцирующих цепей могут быть построены на элементах R и С  или R и L. Практическое применение находят емкостные дифференцирующие цепи  RC.

Дифференцирующие цепи применяют для дифференцирования сигналов самой различной формы. При этом решают две основные задачи преобразования сигналов:

получение импульсов очень малой длительности (укорочение импульсов), которые используют для запуска триггеров, одновибраторов и других устройств, а также в качестве синхронизирующих;

получение производной во времени функций, заданных в виде электрических сигналов.

Схема емкостной дифференцирующей цепи показана на рис. 11.7,а. Входное напряжение Uвх  прикладывается ко всей цепи, а выходное Uвых снимается с резистора R..

Ток, протекающий через емкость,  Учитывая, что этот же ток протекает через сопротивление R, для выходного напряжения получаем

         (11.2)

Рис.   11.7. Дифференцирующая RС-цепь:

а — принципиальная   схема;    б—е — диаграммы   токов и напряжений

Если uвых << uвх (когда большая часть входного напряжения уравновешивается напряжением на конденсаторе), а падение напряжения на резисторе R много меньше напряжения Uc, то уравнение (11.2) можно записать в приближенном виде

                                 (11.3)

которое соответствует выражению (11.1).

Соотношение   выполняется   в   случае,   если   величина   сопротивления R  много меньше    величины    реактивного    сопротивления     конденсатора,   т.   е.   (для  сигнала синусоидальной формы) и  где — частота высшей гармоники, которую необходимо учитывать (для несинусоидального напряжения). Из последних неравенств следует, что для получения RС-цепи, выполняющей с тем или иным приближением операцию дифференцирования, необходимо выбирать элементы R и С достаточно малыми, так, чтобы выдерживалось соотношение где Т—период входного напряжения. Это соотношение для импульсов напряжения имеет вид

          (11.4)

где —длительность входного импульса.

Рассмотрим физические явления, происходящие в дифференцирующей цепи для случая, когда на вход цепи воздействует периодическая последовательность импульсов прямоугольной формы (рис. 11.7,6). При этом будем полагать внутреннее сопротивление источника входного напряжения и паразитные емкости схемы равными нулю.

В момент времени напряжение на входе цепи скачком достигает значения При строгом выполнении условий дифференцирования в этот момент на выходе схемы должен был бы появиться импульс положительной полярности неограниченно большой амплитуды и бесконечно малой длительности (рис. 11.7,в). Так как сопротивление R не может быть бесконечно малым, то такое дифференцирование физически неосуществимо. Учитывая, что напряжение на конденсаторе в начальный момент мгновенно измениться не может и равно поэтому нулю (рис. 11.7,д), все входное напряжение прикладывается к сопротивлению Это напряжение определяет начальный ток заряда конденсатора (рис. 11.7,г).

В дальнейшем конденсатор С заряжается в течение времени экспоненциально убывающим током (см. рис. 11.7,г), определяемым выражением (11.11). При этом, согласно равенству (11.13), напряжение на конденсаторе увеличивается, а на резисторе R — уменьшается (формула (11.14)) так, что в каждый момент времени сумма напряжений на конденсаторе и резисторе равна приложенному напряжению, т. е. В формулах (11.1) — (11.3) для рассматриваемого случая следует принять

Через промежуток времени (момент времени конденсатор зарядится практически до напряжения, равного по величине приложенному напряжению Um, UR станет равным нулю, а зарядный ток прекратится. Этим заканчивается формирование выходного положительного остроконечного импульса длительностью имеющего конечную амплитуду

В момент окончания входного импульса рис. 11.7,6) напряжение на входе дифференцирующей цепи скачком уменьшается до нуля. При этом источником напряжения становится конденсатор С, заряженный до напряжения Um. Затем конденсатор начинает разряжаться (его напряжение полностью приложено к резистору ). Так как в первый момент это напряжение равно через резистор течет начальный ток разряда конденсатора Направление тока разряда противоположно направлению зарядного тока, поэтому полярность напряжения на резисторе изменяется (см. рис. 11.7,е). По мере разряда конденсатора напряжение на нем уменьшается, а вместе с ним уменьшается падение напряжения на резисторе R. В результате формируется импульс отрицательной полярности той же длительности, так как постоянная времени цепи разряда равна постоянной времени цепи заряда. Результат воздействия последующих импульсов периодической последовательности аналогичен.

Как видно из рассмотренного процесса, дифференцирование сопровождается укорочением длительности импульса. Однако, если при дифференцировании должно быть выполнено условие (11.4), то для укорочения импульса достаточно, чтобы

                           (11.5)

При условии дифференцирующая цепь становится  переходной и входные импульсные сигналы передаются на выход цепи без заметных искажений.

На практике длительность фронтов прямоугольных импульсов, поступающих на вход дифференцирующей цепи, отлична от нуля. Поэтому амплитуда выходных укороченных импульсов не равна Um и тем ближе к данной величине, чем меньше tФ и tС входных импульсов.

Схема дифференциатора на ОУ приведена на рис.11.8.

Рис.11.8. Дифференциатор на ОУ

Т.к. потенциал точки “а”     0, тo   IC= - IR , но , а       .

Учитывая это, получим              .

Произведем преобразования и получим .       При RC = 1      .

11.6. ОУ в нелинейных схемах

11.6.1. Компаратор (рис.11.9).

VD1 и VD2 - два диода для защиты входов от входных сигналов, вводящих ОУ в насыщение.

Рис.11.9. Схема компаратора на ОУ

Сравнение с опорным сигналом входного сигнала осуществляется как показано на рис.11.8     .Рис.11.10. Входное и выходное напряжения компаратора.

11.6.2. Преобразователь          на ОУ (рис.11.11).

Рис.11.11.  Преобразователь

Диоды VD1 и VD2 для разделения инвертирующего и неинвертирующего входов.

Рис.11.12. Процессы в преобразователе (VD3 отсутствует)

VD3 - для компенсации действия диодов на входах. Т.е. как бы поднимаем уровень входного сигнала. Процессы в преобразователе   иллюстрирует рис.   11.12.  Обычно величины всех резисторов равны между собой.

За счет VD3 как бы поднимаем уровень входного сигнала, т.е. UВЫХ будет больше на UVD3 (падение напряжения на открытом диоде VD3) потому что UOC должно быть примерно равно    UВХИНВ. Это условие будет выполнено, если  ,

где - падение напряжения с учетом действия VD3,

- падение напряжения без учета действия VD3.

Рис.11.13.Компенсация падений напряжения на диодах VD1 и VD2      

Так компенсируют с помощью VD3 действие диодов VD1 и VD2 (падения напряжений на них).

Потенциал точки А при отрицательном входном сигнале  равен нулю и резистор Rо  не работает.

При этом .

11.6.3. Простейший активный выпрямитель (рис.11.14)

Рис.11.14. Простейший активный выпрямитель 

Для выпрямления напряжений, амплитуда которых меньше чем падение напряжения на диоде, применяют схемы на ОУ, т.к. диодные схемы применять нельзя. Для положительного входного сигнала VD образует ООС, причем исключается напряжение U диода.

При  отрицательном  входном сигнале ОУ в насыщении, т.к. KU , но на выход схемы на проходит из-за установки диода. На графике (рис.11.15) приведены все сигналы, поясняющие принцип действия схемы. UVD- падение напряжения на открытом диоде.

Рис.11.15. Графики сигналов в схеме выпрямителя

11.7. Сумматор напряжений на ОУ (рис.11.16)

Рис.11.16 – Схема сумматора

Основные расчетные соотношения:

Если положить RОС=R1=R2=...=RN=R, то      

С помощью этой схемы можно рассчитывать взвешенные суммы, математические ожидания и т.д.

Пример 1. Составить схему для расчета

Решение. Находим отношения:     ,  ,  .

Рис.11.17.  Схема сумматора для примера 1

Положив   ROC=60 кОм, получим R1=6 кОм,  R2=200 кОм,  R3=60 кОм.

Кроме того, нужно сумму проинвертировать, т.к. получим –UВЫХ (рис. 11.11).

Положим, что ROC=R4=R5=R3

Пример 2. Составить схему для расчета математического ожидания N напряжений.

Решение.

,

где .

11.8. Ограничители напряжения на ОУ (рис.11.18).

 Рис.11.18.Ограничитель напряжения   

АХ этого усилителя без VD1 и VD2  имеет вид как на рис.11.19.

Рис.11.19.  Амплитудная характеристика усилителя-ограничителя

Рассмотрим другую схему - с одним диодом (рис. 11.20).

             

Рис.11.20. Схема ограничителя напряжения с одним диодом

Рис.11.21. Амплитудная характеристика ограничителя с одним диодом

Коэффициент усиления схемы                .

Резистор R2 необходим для получения хорошей динамической характеристики.

С помощью этой схемы можно преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой (рис. 11.21).

Рис.11.22.Преобразование аналогового сигнала в цифровой

При большом коэффициенте усиления схемы  и достаточно большом входном сигнале усилитель сразу переходит в режим насыщения.

Контрольные вопросы и задания.

1. Разработать схему на ОУ для реализации заданного нелинейного преобразования сигнала (рис.11.23).

Рис.11.23.График нелинейного преобразования сигнала

2. Описать работу схемы, полученной в задаче 1.

3.Построить осциллограммы входного и выходного напряжений схемы, полученной в задаче 1 (UВХ=4В, напряжения питания ОУ равны ±11В).

4.Составить схему для расчета .

5.Составить схему для расчета .

UВЫХ

Аналоговый

UВХ

Цифровой


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37606. Исследование однородной линии в установившемся режиме 282 KB
  Минск 2013 Цель работы: Наблюдение основных режимов работы линии исследование частотных свойств входного сопротивления. Домашнее задание: По исходным данным таблицы 1 согласно варианту рассчитали длину линии которой эквивалентна данная искусственная линия содержащая 16 звеньев. Таблица 1 Вариант L0 мкГн км C0 пФ км r0 Ом км n0 1 620 21200 11 15 Определили частоту при которой на линии укладывается одна длина волны =16.
37607. Исследование характеристик метода доступа в сетях Ethernet 243.5 KB
  Мы добились схожих результатов с Ethernet, однако скорость увеличилась в 2 раза. Загруженности сети 100% соответствует интенсивность сети меньше 50.
37608. Проектирование и моделирование VHDL-описаний интегральных схем 124 KB
  Вывод: в ходе лабораторной работы изучили возможности языка VHDL и пакета ActiveHDL для проектирования заказных БИС
37609. Сценарий для утилиты Apache Ant, реализующий компиляцию 76 KB
  Каждый этап должен быть выделен в отдельным блок сценария; все переменные и константы, используемые в сценарии должны, должны быть вынесены в отдельный файл параметров; MANIFEST.MF должен содержать информацию о версии и о запускаемом классе.
37610. Изучение частотных характеристик мультивибратора Ройера в зависимости от величины нагрузки 310.5 KB
  Установив входное напряжение 30 В, путем изменения нагрузки, изменяем ток нагрузки до минимального возможного значения, фиксируя каждый раз значения токов Iвх , Iн, напряжения на нагрузке и частоты. Рассчитываем значения потребляемой мощности, выходной мощности и КПД
37611. Описание и моделирование регулярных (систолических) схем 289.5 KB
  Необходимо спроектировать VHDL-модель заданного устройства одним из указанных способов согласно требованиям, сформулированным к каждому варианту задания, разработать тестирующие воздействия и выполнить моделирование работы устройства.
37612. Проведение экспериментальных работ при исследовании переходных процессов в электрических цепях 115 KB
  На экране осциллографа получаем изображение зависимости напряжения и тока конденсатора от времени.Зарисовываем осциллограммы тока и напряжения на конденсаторе: Рассчитываем по осциллограмме постоянные времени разряда и заряда конденсатора по кривой uсt. На экране осциллографа получаем изображения зависимости тока и напряжения катушки от времени. Зарисовываем осциллограммы тока и напряжения катушки: Рассчитываем по осциллограмме постоянные времени при подключении и отключении катушки по кривой it.
37613. История государства и права зарубежных стран (ИГПЗС) 712 KB
  В силу конкретноисторического подхода к государственноправовым явлениям и процессам присущим тому или иному обществу на том или ином этапе его развития оперируя множеством фактов и событий политической жизни деятельности государств правительств классов и партий ИГПЗС ставит своей целью выявление исторических закономерностей развития государства и права. ИГПЗС тесно связана с другой юридической наукой и учебной дисциплиной Теорией государства и права также изучающей закономерности развития государства и права. Теория...
37614. Основи теорії транспортних процесів і систем 4.22 MB
  У цьому розділі вивчаються питання стосовно експлуатаційних властивостей транспортних засобів що використовуються для організації процесу перевезення вантажів та пасажирів. В країнах Азії до цих пір переміщення вантажів та людей за допомогою коромисел є дуже розповсюдженим. В умовах первинно общинного ладу для транспортування людей та вантажів використовувались найпростіші засоби включаючи в'ючних тварин. На сьогодні транспорт це одна із найважливіших галузей матеріального виробництва що виконує перевезення людей та вантажів.