Главная » Книги и журналы

1 ... 7 8 9 10 11 12 13 ... 38

-tSOmk C4i .

mnn I*

C7 fQ 0,57MK QQ

02MK , , , , ,

;Bb.x 0,010,1 1 10 г,кги.

l Рис. 4.16. Схема функционально законченного предусилителя для электропроигры-вакэщего устройства (а) и его передаточная характеристика (б)

ства сопротивлений конденсатора СЗ и резистора RI, т. е. f\ = \/2n C3R1, а частота /2=1/2лСз7?4.

Угловая частота /з задается цепью R4C4: 1з=1/2п CRt.

Резистор R5 введен в схему для получения единичного коэффициента усиления, а его сопротивление выбирается из условия /?5=107?з. В противном случае необходимо использовать внешний конденсатор между выводами 5 и 6 (или 10 и ), как было показано ранее (см. рис. 4.14).

Для регулировки усиления на низких частотах используется цепь из элементов R6-R8, С6, СТ. Максимальный и минимальный коэффициенты усиления задаются отношениями Rf,lRb и R(,lRi. Если диапазон изменения Ку на низкой частоте (20 Гц) должен быть ±20 дБ, то сопротивления этих резисторов должны удовлет-вврять условию /?е ?8 = /?б ?7 = 10. Емкости, конденсаторов С6 и С7 определяются из следующих выражений: Сб= 1/2л/ср/?б и Cy=l/2nfcpRb, где fcp - частота, ниже которой начинается изменение коэффициента усиления схемы при перемещении движка потенциометра R7 (рис. 4.16, б).

Схема на рис. 4.16, а представляет собой один канал законченного предусилителя воспроизведения для электропроигрывателя с электромагнитным преобразователем с регуляторами тембра (R7), громкости {RI1) и стереобаланса (R10).

Усилители мощности. Используя описанные в гл. 2 методы увеличения выходных тока и напряжения, можно построить на базе обычных ОУ усилители, способные отдать в нагрузку мощность нескольких десятков ватт, что достаточно для многих электро- и радиотехнических устройств. К усилителям мощности можно отнести рассмотренные выше схемы (см. рис. 2.24, 2.25).

При работе ОУ на низкоомнукз или индуктивную нагрузку максимальный коэффициент полезного действия Кп обычно не превышает 50%, но и это небольшое значение достигается при равенстве выходного сопротивления усилителя и сопротивления нагрузки. Обычно ОУ используется с отрицательной ОС, что делает очень малым его выходное сопротивление, поэтому для согласования с

Вых

Рис. 4.17. Схема с увеличенным коэффициентом полезного действия дифференциального усилителя мощности

Рис. 4.18. Схема усилителя мощности

нагрузкой требуется дополнительный резистор Rc, включенный с ней последовательно.

Если же кроме отрицательной ОС усилитель охватить невозбуждающей положительной ОС (рис. 4.17), то требуемое сопротивление резистора Rc можно значительно уменьшить, а величину Ки увеличить. Для показанной схемы абсолютная величина резистора Rc уменьшена до 25 Ом, т. е. в шесть раз по сравнению с требуемым сопротивлением, равным 150 Ом, а Кп увеличен до 85%. Причем благодаря положительной ОС действующее значение Rc приблизительно равно 150 Ом, хотя на этом резисторе теряется только 15% мощности.

Значения Rc и R можно определить из следующих соотношени: Ku = Kh/[l+{ko-k )Ku]W{ko~k ) при fe -fen>l C;

/?вь,х = [Rc{\+Kbko) + RL]/[l + К'и {ko- k )] Rc/{ 1 -k /ko)

при {ko - k )Ku> и Rib.xkoKbRc,

где ko=R\/Ro.c - коэффициент передачи по цепи отрицательной ОС; йп = /?2/п - коэффициент передачи по цепи положительной ОС.

При проектировании необходимо следить, чтобы выполнялось неравенство ko>k , исключающее самовозбуждение усилителя. После расчета желательно Провести экспериментальную подстройку Rc, поскольку даже незначительные погрешности приводят к существенному ухудшению Кп- Для приведенной схемы максимальная величина Кп сохраняется до частоты 200 кГц.

Наиболее простые схемы усилителей мощности получаются, если используется управление выходным каскадом по цепи питания ОУ. На рис. 4.18 показана модификация схемы на рис. 2.24, полученная заменой резисторов в цепи питания ОУ транзистораМи. Транзисторы VT1 и VT2 устанавливают напряжение питания ОУ, равное ±15 В. Благодаря подключению к выходу ОУ. резистора R]

Рис. 4.19. лителя

~100В

Схема высоковольтного уси-

с небольшим сопротивлением кмоу, через VT1 и VT2 будет протекать ток около 10 мА. Это позволяет при небольших сопротивлениях резисторов в коллекторных цепях VT1 и VT2 получить значительное по амплитуде напряжение, управляющее мощными выходными транзисторами VT3 и VT4 . Для устранения самовозбуждения усилителя частота среза мощного выходного каскада должна быть больше 100 кГц. На высоких частотах равномерный спад АЧХ усилителя формируется конденсаторами CJ и С2. Коэффициент усиления по напряжению определяется отношением /?з ?2 10. Если разброс сопротивлений не превышает +0,25% й отрегулировано t/cM ОУ, то нелинейность усилителя не превышает 0,4% (при размахе выходного напряжения ±30 В), мощность отдаваемая выходным каскадом в нагрузку, достигает 20 Вт, а мощностная полоса пропускания fp = 30 кГц.

Для построения высоковольтного инвертирующего усилителя мощности можно воспользоваться схемой на рис. 4.19 [22]. К выходу низковольтного ОУ подключен дополнительный транзисторный усилитель. Поскольку этот усилитель инвертирует сигнал, то резисторный делитель в цепи общей ОС подключен к неинвертирующему входу ОУ. Транзисторы VT1, VT2 обеспечивают базовые токи выходных транзисторов, равные (/б +/д) ?з, где Ue - выходное напряжение усилителя; С/д 0,7 В. При отрицательном напряжении Ue открываются транзисторы VT1 и VT2 и выходное напряжение усилителя увеличивается. При Ubx = 0 сквозной ток через VT2 и VT4 устанавливается потенциометром R4 .Диоды VD1, VD2 .ограничивают обратное напряжение смещения эмиттерно-базовых переходов VT1, VT3 на уровне 0,7 В. Коэффициент передачи усилителя равен -R2/R1. Напряжение питания ОУ задается стабилитронами и не должно превышать ±15 В. Примененные в схеме конденсаторы корректируют АЧХ усилителя и могут подстраиваться в зависимости от его конструкции и типа транзисторов VT2 , VT4 . Если в качестве VT2 , VT4 использованы мощные транзисторы, то сопротивление R3 целесообразно уменьшить до 510 Ом для обеспечения высокой линейности усилителя.

Описанную схему нетрудно применить при работе от одного высоковольтного источника питания. Например, если С/вх>0, то эмиттер 1/74 можно заземлить и заменить цепь транзистора VTZ р^

зистором сопротивлением 10 кОм. Однако для нормальной работы ОУ при 6Увх=1..-3 В необходим дополнительный источник отрицательного напряжения питания [/-=-3 В. Если [/вх>3 В, то в ОУ вывод 4 можно заземлить и тогда источник [/,г не требуется. Для исключения попадания на вход ОУ высоковольтного напряжения при быстрых изменениях Ubx или включении источника питания целесообразно вывод 3 зашунтировать защитными диодами.

4.2. СУММИРОВАНИЕ И ВЫЧИТАНИЕ

Суммирование аналоговых сигналов обычно выполняется на базе ОУ в инвертирующем включении. В инвертирующем сумматоре (рис. 4.20, с) сумма токов /о, протекающих через входные резисторы Rot, равна току, протекающему через резистор Ro. с

л

в цепи ОС, т.е. /о,= -/ос, где знак 1ы определяется поляр-

ностью входного аналогового сигнала Ubxi- Поскольку 1ы = ивх i/Roi и 1о. c=Ubhx/Ro. с, то выражение для выходного напряжения запи-

л

сывается в виде 6Увых= J o/t/ex i, где /Со/= -/?о. с ?о,-- коэффи-

циент передачи /-го входного сигнала. Чтобы исключить влияние входного тока ОУ на точность суммирования, необходимо неинвертирующий вход ОУ заземлить через резистор R, сопротивление

п

которого вычисляется из уравнения. 1 ? = 1 ?о. с-Ь (l/Roi)-

Вместе с тем ОУ позволяет суммировать или вычитать сигналы одновременно по обоим входам (параллельное суммирование). Однако расчеты при суммировании с использованием неинверти-

Р
1

Вх 01 -
Вх 0Z-	-Л
Вх On -

Рис. 4.20. Схема инвертирующего (а) и параллельного (б) сумматоров

рующего входа достаточно трудоемки, поэтому для выполнения параллельного суммирования часто используют последовательное соединение двух обычных сумматоров (последовательное суммирование), что увеличивает ошибку, обусловленную входными токами ОУ. Ниже приведен расчет сопротивлений суммирующих цепей с равными полными сопротивлениями по обоим входам ОУ, значительно упрошаюший проектирование параллельного сумматора.

При использовании .обоих входов ОУ (рис. 4.20, б) можно сложить входные сигналы, имеющие различные по знаку коэффициенты передачи, т. е. выполнить операции суммирования или вычитания произвольного числа сигналов на одном ОУ. Выходное напряжение в этом случае

=1 /=1

где /Со1<0, /Спу>0, Кщ - коэффициент передачи /-го входного сигнала Umj неинвертирующему входу. Выравнивание полных сопротивлений по входам достигается подключением поправочных резисторов Ro или R . Используя принцип суперпозиции, нетрудно получить выражение для напряжения на неинвертирующем входе при /?о= оо:

t/n=I r(t/exy/7? y)/I (1 ?пу+1 ?п)

Поскольку такое же напряжение должно быть и на инвертирующем входе, ток в резисторе Ro. с будет равен

/=1 (t/вх,-f/n)/;?c,= X Uxi/Roi-U Y {l/Rod-

Тогда

Ub.x = U.-IRo.c = {\i/Ro.c+ I (IWl/riM-f I {l/R.i)]}x

.-=1 =

X I {Ro c/Rni) f/вх i- I (o. с / Rod f/ex i-

;=i i=l

Чтобы обеспечивалось равенство сопротивлений Rs на входах ОУ, необходимо выполнить условие

{\/Ro.o)+ i (1 ?о,) = (1 ?п)+ i (1 ?п;).

!/;? =(/(l- I Koi- I пу) .

Если Rnoo, то из аналогичных вычислений получим

л т

-(1-Х Кы- I /С„у) ?о.с=-1 ?п.

Только положительные значения сопротивлений, вычисленные по двум последним формулам, имеют смысл. Поэтому если 1 -

Koi> X сумматор должен содержать только рези-

,=1 /=1 стор если 1-X о<<: Z только резистор Ro, а если /= ;=1

1 /Со/= JAnj резисторы и R не требуются.

1=1 У=1

При проектировании параллельных сумматоров на ОУ обычно заданы либо только весовые коэффициенты входных сигналов, либо дополнительно величины R.

В первом случае алгоритм проектирования следующий: выбирается удобное Ro.c, вычисляются сопротивления резисторов Roi, Raj, Rn, если Rn<0, то инвертирующий вход заземляется через резистор сопротивлением R , если R >0, то неинвертирующий вход заземляется через резистор сопротивлением Rn.

4.3. ВЫЧИСЛЕНИЕ АБСОЛЮТНОЙ ВЕЛИЧИНЫ СИГНАЛА

Прецизионные выпрямители или схемы вычисления абсолютной величины строятся на ОУ, в цепь ОС которых включены диоды. Диоды изменяют коэффициент передачи схемы для разных полупериодов входного сигнала. Благодаря большому коэффициенту усиления ОУ для переключения диодов из проводящего состояния в закрытое требуются очень незначительные изменения Ubx, что обеспечивает высокую точность выпрямления Ubx- Из всего многообразия разновидностей схем для выделения абсолютной величины сигнала здесь рассмотрены только четыре: простейшая, прецизионная, дифференциальная и быстродействующая.

Получить абсолютное значение входного сигнала можно с помощью всего одного ОУ (рис. 4.21). Для этого необходимо с высокой точностью согласовать сопротивления резисторов. При отрицательной полуволне входного сигнала схема работает как обычный инвертирующий усилитель с коэффициентом передачи -1/п. При положительной полуволне входного сигнала выходное напряжение ОУ отрицательное, диод закрывается и цепь ОС разрывается. Вследствие этого ОУ перестает оказывать влияние на выходное напряжение, а Ubx передается на выход по цепи резисторного делителя RIR2. Коэффициент передачи схемы в этом случае

/?2 ?2--1 (1+ )- Коэффициенты передачи для разнополярных изменений Ux будут совпадать, если /?2 = (п+1) /( -!)

Описанной схеме присущи некоторые существенные недостатки. Во-первых, низкое входное сопротивление, которое определяется в основном сопротивлением резистора R1. Во-вторых, ослабление входного сигнала. В-третьих, высокое входное сопротивление. Все эти недостатки устранены в прецизионной схеме выделения абсолютной величины сигнала (рис. 4.22). В отличие от известных схем такого типа на двух ОУ в представленной необходимо использовать только два согласованных с высокой точностью резистора, один из которых позволяет подстроить коэффициент передачи схемы. Подстройка коэффициента передачи необходима, например, при использовании выпрямителя в вольтметрах переменного сигнала. Для- больщинства прецизионных схем выделения абсолютной величины сигнала такая подстройка невозможна без применения третьего ОУ, поскольку ее введение в схему сопряжено с требованием одновременного прецизионного изменения сопротивлений двух или трех резисторов. Как и большинство прецизионных схем на двух ОУ, описываемая обладает большим входным сопротивлением и низким выходным. При этом обеспечивается регулировка усиления в очень широком диапазоне - от 1 до нескольких тысяч, что обеспечивает обработку входных сигналов, изменяющихся в диапазоне от 1 мВ до 10 В. Погрешность коэффициента передачи может достигать 0,03%, и даже сигналы с амплитудой, равной нескольким десяткам милливольт, можно обрабатывать с погрешностью, не превышающей 1%.

При переходе входного сигнала через нуль изменяется полярность коэффициента передачи, но не его величина. При положительном входном сигнале в схеме на рис. 4.22 диоды VD2 и VD3 открываются, а VD1, VD4 закрываются. При этом А2 работает в режиме повторителя сигнала, поданного на его неинвертирующий

бых

Рис. 4.21. Простейшая схема выделения абсолютной величины сигнала

Рис. 4.22. Прецизионная схема выделения абсолютной величины сигнала

вход. Следовательно, напряжение на его инвертирующем входе равно 0. Таким образом, работа схемы определяется усилителем А1, который оказывается включенным по схеме неинвертирующего усилителя с резисторами {l-x)R и xR в цепи ОС. Поэтому коэффициент передачи всей схемы равен 1/х. Когда на вход схемы подается отрицательная полуволна напряжения, диоды VD2 и VD3 оказываются закрытыми, а VDI, VD4 открытыми. В этом случае уже R1 работает в режиме повторителя сигнала, поданного на его неинвертирующий вход, т. е. повторителя Ивх- Следовательно, коэффициент передачи схемы определяет А2, работающий в режиме инвертирующего усилителя с коэффициентом передачи, равным -\/х. Резистор (1-х) R не влияет на работу схемы при отрицательном входном сигнале, но ток через него не должен превышать значение максимально допустимого выходного тока для выбранных ОУ, обычно равного 5 мА. Поэтому сопротивление (1-x)R не должно быть меньше 4 кОм. Погрешности выпрямления, вносимые ОУ, обычно меньше погрешностей из-за несогласованности сопротивлений резисторов. Что касается быстродействия описанной схемы, то оно полностью определяется ОУ, а точнее скоростью переключения диодов в моменты перехода f/вх через нуль.

Построить дифференциальный выпрямитель можно различными способами. Например, подключить ко входу схемы, показанной на рис. 4.21, простейший дифференциальный усилитель. Можно также подключить ко входу любой схемы выпрямителя дифференциальный предусилитель К140УД13. Известны также специализированные схемы дифференциальных выпрямителей на одном или двух ОУ, обладающие различным сочетанием точностных и динамических параметров; Простейшая схема дифференциального выпрямителя требует двух ОУ и четырех согласованных резисторов (рис. 4.23). На базе А1 реализован преобразователь дифференциального напряжения в ток, а на А2 - выпрямитель, преобразующий ток в напряжение. Входное напряжение U2 преобразуется в ток, поступающий непосредственно на вход А2 вместе с током из цепи ОС усилителя А1, протекающим через R2. Таким образом, результирующий ток /р, протекающий по цепи связи Л/ и А2, равен HJ2~U\)/Ri. Когда этот ток является втекающим для выпрямителя на А2, диод VD2 открыт и ток /р протекает через R3, увеличивая напряжение на неинвертирующем входе А2. Поскольку коэффициент передачи схемы выпрямителя на А2 в этом случае равен п+1, то U+, = {n + l)RsIp.

Если полярность тока /р изменяется, то открывается только диод VD1, напряжение на неинвертирующем входе А2 равно О, а весь ток /р протекает через резистор (n + l) R3 ъ цепи ОС А2. Поэтому выходное напряжение t/ix= - ( +1)/?з = /р, т. е. коэффициент передачи выпрямителя на А2 становится отрицательным. Таким образом, в общем виде выходное напряжение всей схемы можно представить выражением UbUx=\Ui -{n-\-l)R3/Ri.

Рис. 4.23. Схема выделения абсолютной величины сигнала с дифференциальным входом

К140УД7

Рис. 4.24. Быстродействующая схема выделения абсолютной величины сигнала

Очевидно, что входное сопротивление такого выпрямителя определяется R1. Точность согласования сопротивлений R1, R2 в обеих цепях ОС А1 определяет максимальное выходное сопротивление входного преобразователя напряжения в ток и коэффициент ослабления синфазного сигнала. При полном согласовании выходное сопротивление преобразователя равно произведению сопротивления R1 на коэффициент Ко.с для ОУ.

Быстродействие прецизионного выпрямителя определяется только динамическими параметрами ОУ. Однако даже при использовании сравнительно медленного ОУ можно получить приемлемые динамические характеристики, если воспользоваться схемой на рис. 4.24. К выходу ОУ подключен дополнительный ускоряющий транзисторный каскад, который управляется через выводы для подключения питания ОУ. Быстродействие ОУ с таким каскадом тем выше, чем меньше сопротивление R3 (см. гл. 2).

Поскольку транзисторный каскад обеспечивает дополнительное усиление, требуется использование корректирующих конденсаторов С/, С2 для устранения самовозбуждения. Коэффициент усиления порядка 100 для выходного транзисторного каскада сохраняется только во время переходного процесса изменения Увых, пока диоды VD1, VD2 закрыты. Когда достигается установившееся значение и^ых, один из диодов открывается, подключаясь к выходу каскада, и его усиление становится меньше 1.

Динамические и статические характеристики описанных схем в основном определяются параметрами примененных ОУ. Требования же к ОУ таковы, что они должны быть одновременно и широко-

полосными, и иметь отличные точностные параметры, что не обеспечивают современные полупроводниковые ОУ. Совместить высокие динамические и точностные характеристики позволяют сборки из нескольких ОУ различных типов, когда прецизионный ОУ определяет точностные характеристики, а быстродействующий - динамические. Например, описанная в [23] схема однополупериодного выпрямителя содержит два канала - основной и вспомогательный. Основной канал может быть построен практически по любой из рассмотренных схем. Вспомогательный служит для компенсации температурного дрейфа и инфранизкочастотных шумов. Точность компенсации определяется ОУ К140УД13 на входе вспомогательного канала. Благодаря этому обеспечивается высокое быстродействие наряду с точностью.

4.4. ЛОГАРИФМИРОВАНИЕ

Чтобы выполнить логарифмирование аналогового сигнала, необходимо в цепь ОС ОУ включить р-п переход. Способы включения р-п перехода показаны в табл. 4.3. Для всех трех показаний в таблице схем логарифмических усилителей (ЛУ) справедливо следующее выражение для выходного сигнала: {7вых=£о log/T k.o~ л;£о log {7вх ?/к.о, где £о=фт 1п 10 2,3(рт, а /о - тепловой ток р-п перехода.

В первых двух схемах ЛУ коллекторное и базовое напряжения транзисторов близки к нулю и почти постоянны при логарифмировании Однако первая схема ЛУ не может работать с разнополяр-ньши сигналами, поскольку база транзистора заземл&а, а точность логарифмирования второй схемы ЛУ существенно зависит от величины /2213 транзистора. Поскольку /2213 уменьшается при малых токах (10~® А), диапазон логарифмирования входных токов /г у второй структуры меньше, чем у первой почти на 8 декад (рис. 4.25). Если необходимо минимальное нагружающее действие выхода ОУ цепью ОС, то целесообразно применить третью схему ЛУ. Однако в этом случае из-за использования резистив-ного делителя в цепи коллектора транзистора дополнительным источником ошибки логарифмирования может стать изменение коллекторно-базового напряжения.

В прецизионных ЛУ обычно применяется структура (см. табл. 4.3, схема а) с небольшим диапазоном рабочих токов, для которой точное выражение (пока без учета ОУ) выходного напряжения записывается в следующем виде: [/вых= [эб = -£о (log к кo~ -log/г2,б) - [/к.э/1+/к'-б, где l/fx = dt/3.b/dt/k.b~ 10-73-коэффициент, учитывающий действие изменения коллекторного напряжения на величину [/3.5, / б - сопротивление области базы транзис= тора. При токе 1 мА сопротивление Гб находится в диапазоне 0,25... 10 Ом в зависимости от типа транзистора. Кремниевые транзисторы с малым сопротивлением Лб имеют обычно больший тепловой ток к.о- , . .

1 ... 7 8 9 10 11 12 13 ... 38