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

37 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

79846. АУДИТ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ И ЕЁ РЕАЛИЗАЦИИ 150 KB
  Важное значение для качественного проведения аудита на предприятии имеет ознакомление с порядком осуществляемого оперативного контроля за выпуском продукции что обеспечивает своевременность исполнения обязательств предприятия по договорам. В этих целях на предприятии должны проводиться систематические проверки исполнения технологических процессов контроль выполнения плана по объему ассортименту качеству выпускаемой продукции а также ритмичности производства. При этом устанавливается не только...
79847. ПРОВЕРКА СОСТОЯНИЯ УЧЁТА ДЕНЕЖНЫХ СРЕДСТВ (В КАССЕ, НА РАСЧЁТНОМ СЧЁТЕ И ДРУГИХ СЧЕТАХ) 110 KB
  При проверке следует установить соблюдается ли предприятием установленный обслуживающим его учреждением банка предельный лимит хранения наличных денег так как в кассе можно хранить лишь небольшие денежные суммы для оплаты мелких хозяйственных расходов выдачи авансов на командировки и Других небольших платежей. Поступление денег в кассу и выдача их из кассы должны быть оформлены приходными и расходными кассовыми ордерами. При получении денег сотрудники расписываются в платежной ведомости. Если деньги выдаются по доверенности то в тексте...
79848. АУДИТ БАРТЕРНЫХ ОПЕРАЦИЙ 51 KB
  Под бартерными операциями понимают операции, предусматривающие натуральный товарообмен на сбалансированной основе и оформляемые единым договором между юридическими лицами. Договор должен содержать стоимостную оценку обмениваемых товаров
79849. АУДИТ РАСЧЁТОВ ДЕБИТОРСКОЙ И КРЕДИТОРСКОЙ ЗАДОЛЖЕННОСТИ 142 KB
  Рациональная организация контроля за состоянием расчетов способствует укреплению договорной и расчетной дисциплины выполнению обязательств по поставкам продукции в заданном ассортименте и качестве повышению ответственности предприятий за соблюдение платежной дисциплины сокращению дебиторской и кредиторской задолженности ускорению оборачиваемости оборотных средств и следовательно улучшению финансового состояния предприятий. В настоящее время принят ряд документов регулирующих вопросы осуществления расчетов наличными документами....
79850. АУДИТ РАСЧЁТОВ С ПЕРСОНАЛОМ ПО ОПЛАТЕ ТРУДА И ПРОЧИМ ОПЕРАЦИЯМ 89 KB
  При проверке расчетов по оплате труда большое внимание надо уделить расчетам с депонентами. Аудитор прежде всего устанавливает, своевременно ли относится к депонентским суммам не полученная в установленные сроки заработная плата
79851. АУДИТ ОТЧЁТНЫХ ДАННЫХ ПО ДОХОДАМ, ЗАТРАТАМ И ПРИБЫЛИ 85 KB
  Прибыль является основным обобщающим качественным показателем деятельности предприятия и характеризует конечный финансовый результат эффективность производства. В связи с этим огромное значение имеет четкая организация контроля за формированием прибыли со стороны налоговых аудиторских и внутрихозяйственных служб в пределах компетенции каждой из них. Для обобщения информации о конечном финансовом результате ведется счет 80 Прибыли и убытки . По завершении года прибыль уменьшается на...
79852. АУДИТ ФОНДОВ И РЕЗЕРВОВ 49 KB
  Фактическое поступление вкладов учредителей проводится по кредиту счета 75 Расчеты с учредителями в корреспонденции со счетами денежных средств и других ценностей. На предприятиях созданных в форме акционерных обществ к счету 85 Уставный фонд могут быть открыты субсчета Простые акции и Привилегированные акции. После внесения соответствующих изменений в учредительные документы предприятия и регистрации нового размера уставного фонда должна быть сделана бухгалтерская запись...