Применение операционных усилителей

Традиционными областями применения ОУ является решающая аналоговая техника, аппаратура обработки сигналов, радиовещательные устройства и др., в которых часто требуется выполнение операторных уравнений при замыкании выхода ОУ на инвертирующий вход с помощью пассивных цепей отрицательной обратной связи.

Сумматор.

На вход подаются через ; ;  входные сигналы ; ; . Кроме того в точку Р через  подается часть выходного напряжения .

Суммарное напряжение на входе усилителя (в точке Р) определяется равенством (рисунок 73,а)

,

где .

При наличии одинаковых сопротивлений  на выходе получают алгебраическую сумму напряжений. Пример: микшер – сигналы с трех микрофонов, которые должны усиливаться общим усилителем.

а)                                                          б) Рисунок 73

. Таким образом, выходное напряжение пропорционально сумме входных напряжений.

Масштабный усилитель.

Назначение усилителя – изменение масштаба электрической величины посредством умножения входного сигнала на некоторый постоянный коэффициент, (рисунок 73,б).

Уровень выходного напряжения (масштаба) устанавливается соотношениями сопротивлений  и  весового коэффициента.

Интегрирующий усилитель (интегратор).

а)                                                          б) Рисунок 74

Выходное напряжение интегратора пропорционально интегралу от входного напряжения, можно получить заменой активного сопротивления обратной связи  в масштабном усилителе конденсатором С (рисунок 74,а)

Во время переходного процесса в цепи R, C, протекающего при подаче на вход схемы сигнала , усилитель работает в линейном режиме. Этому режиму соответствует процесс интегрирования. Если принять, что , то в схеме существует полная отрицательная связь и . Поэтому ток, протекающий через резистор R, определяется по формуле .

Так как ток идеального ОУ не втекает, то  и напряжение на конденсаторе или, что то же самое, на выходе усилителя  определяется выражением

,

Если к входу ОУ приложить напряжение в виде скачка с постоянной амплитудой , то

,

где  – постоянная времени интегратора.

В соответствии с выражением интегрирующий усилитель можно использовать для получения линейно–изменяющегося напряжения, что применяется при проектировании высокоточных генераторов пилообразного напряжения на ОУ.

Дифференциальный усилитель (дифференциатор). 

Так как все напряжение источника выходного сигнала  практически приложено к конденсатору С , то значение тока , протекающего через конденсатор, определяется как  (рисунок 74,б)

По, той же причине, что и для интегратора,  и

,

где  – постоянная времени дифференциатора.

Поскольку емкость С может быть достаточно малой, дифференциатор является усилителем высокочастотных сигналов.

Компаратор напряжений

Компараторное включение ОУ используется для сравнения напряжения источника сигнала  с опорным сигналом . Компараторный режим ОУ обычно используется без внешних цепей отрицательной обратной связи с подачей сравнивающих сигналов на один или оба входа усилителя (рисунок 75,а).

В промежутке от  выполняется неравенство  поэтому  и напряжение на выходе компаратора .

В момент времени  входной сигнал достигает порогового значения

а затем  превышает его, чему соответствует наличие отрицательного потенциала на инвертирующем входе ОУ  сопровождающийся переключением компаратора в другое состояние, при котором .

Моменту времени , при котором выполняется равенство  соответствует неустойчивый линейный режим усилителя компаратора (рисунок 75,б)

При этом наклон переходной характеристики определяется собственным коэффициентом усиления . Поэтому отсутствие в ОУ ООС способствует увеличению скорости переключения компаратора.

Рисунок 75

Точность сравнения напряжений увеличивается с увеличением их амплитуд. Сопротивление балансирующего резистора в цепи неинвертирующего входа определяется по формуле

.

Логарифмический усилитель

Логарифмическая передаточная функция реализуется включением в цепь ООС ОУ р – n перехода (рисунок 76).

Рисунок 76

ВАХ которого описывается . Для идеального ОУ  и ,с учетом этого  имеем , откуда .

Таким образом, из этого уравнения получим:

.

ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

Устройства, работающие в прерывистом (дискретном ) режиме, длительность которых соизмерима с длительностью переходных процессов, называют импульсными. Импульсные устройства предназначены для формирования, преобразования и генерирования импульсных сигналов – импульсов. Под импульсом понимают кратковременное изменение напряжения (тока, рисунок 77) в электрической цепи от нуля до некоторого постоянного уровня . Различают видео– и радиоимпульсы. Видеоимпульс представляет собой кратковременное изменение напряжения (тока) в цепи постоянного тока, постоянная составляющая(среднее значение) которого отличается от нуля . Идеализированные видеоимпульсы имеют различную форму.

Рисунок 77

Различают видеоимпульсы положительной и отрицательной полярности, а также двусторонние (разнополярные).

Радиоимпульс – это кратковременный пакет высокочастотных колебаний напряжения или тока, огибающая которых имеет форму видиоимпульса.

Одиночный импульс и последовательность импульсов характеризуется следующими параметрами: амплитудой , длительностью ; длительностью переднего фронта ; длительностью заднего фронта (среза) ; спадом вершины ; средним значением , , ; мощностью в импульсе ; действующим значением , , ; длительностью паузы между импульсами , периодом повторения Т и скважностью Q.

Амплитуда импульса. Максимальное напряжение (ток) импульса называется амплитудой (рисунок 78). В маломощных импульсных устройствах обычно применяют импульсы напряжения с амплитудой от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт; в мощных импульсных устройствах – от десятков вольт до десятков киловольт. В таком же широком  диапазоне изменяются амплитуды импульсов тока; в маломощных импульсных устройствах – от долей миллиампера до долей ампера; в мощных импульсных устройствах – от долей ампера до десятков тысяч ампер.

Рисунок 78

Длительность импульса. Под длительностью импульса понимают промежуток времени между моментом возникновения и исчезновения импульса. Иногда длительность импульсов определяют по длительности основания, иногда на уровне , либо . В последнем случае длительность импульса называют активной. Длительность импульса зависит от назначения, например, в автоматике используют импульсы длительностью , в импульсной сварке – от , в импульсном электроприводе – примерно , в импульсной радиосвязи – микросекундного диапазона, в физике быстрых частиц – наносекундного диапазона, в промышленной электронике – .

Длительность фронтов импульса. Под фронтом понимают боковую сторону импульса. Различают передний и задний фронты, последний называют срезом импульса. Длительность переднего фронта определяет время нарастания импульса, а длительность заднего – время спада импульса. Для описания формы реального импульса наиболее часто используют понятие активной длительности фронта и среза импульса. Активную длительность фронта и среза соответственно отсчитывают между уровнями . Длительности  и  по сравнению с , тем больше форма импульса приближается к прямоугольной. Иногда вместо длительности фронта (среза) форму импульса характеризуют крутизной фронта (среза) , под которой понимают скорость нарастания (убывания) импульса. Крутизна фронта (срезе) измеряется в вольтах на секунду (В/с) или амперах на секунду (А/с).

Спад вершины импульса. Вершина прямоугольного импульса во многих случаях соответствует рабочей части импульса и поэтому стремится обеспечивать ее постоянство. Из–за несовершенства формирователей и генераторов импульсов происходит спад вершины . Спад вершины импульса желательно иметь возможно меньшим. Часто требуется, чтобы  было не более . Вместо абсолютной величины спада часто используют относительную, определенную как  или .

У некоторых импульсов, например, треугольных пилообразных и др. Вершина отсутствует и фронт сразу переходит в срез.

Период повторения импульсов Т – отрезок времени между началом (концом) двух соседних однополярных импульсов. Величина обратная, периоду повторению, называется частотой повторения (следования) импульсов f. Частота повторения импульсов зависит от назначения, например, в промышленной электронике от десятых долей герца до десятков мегагерц и выше

Скважность импульсов – отношение периода повторения к длительности импульса . Скважность величина безразмерная и всегда больше единицы. В промышленной электронике скважность импульсов составляет от 1,1 до десятков тысяч. Скважность отражает возможность накопления больших энергий и мощностей в течении сравнительно большой паузы между импульсами и генерирования этой энергии во время кратковременного импульса. Скважность является энергетической характеристикой импульсного устройства. Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения импульсов:

.

Среднее значение импульса. Для определения энергетических свойств импульсного устройства и характеристик энергетического воздействия импульса на нагрузку вводят понятие среднего значения импульса ( постоянной составляющей импульса). Обычно различают среднее значение за период и за время длительности импульса. Среднее значение напряжения, тока и мощности импульса за период соответственно:

;

;

;

где ,  и  – соответственно среднее значение напряжения, тока и мощности за время длительности импульса;

.

Действующее значение импульса. По аналогии со средним значением импульса различают действующее значение импульса за период и за время длительности импульса. Действующее значение напряжения , тока и мощности за период соответственно:

;

;

.

Импульсные устройства можно разделить на два вида: маломощные (информационные) и мощные (силовые).

Импульсы для мощных и маломощных устройств формируются линейными и нелинейными цепями с пассивными и активными элементами. На вход таких цепей подают сигналы синусоидальной или не синусоидальной формы: на выходе получают импульсы с заданными параметрами. При этом формирование выходных импульсов происходит в промежутках времени, пока действует входной сигнал.

Простейшими линейными формирующими цепями являются дифференцирующие и интегрирующие цепи, формирующие линии с распределенными и сосредоточенными параметрами и др.

В более сложных формирователях импульсов применяют сочетание линейных формирователей цепей с электронными элементами импульсных устройств.

Схема идеального ключа и его нагрузочная характеристика рисунок 79,а. В статических режимах ключ находится в одном из двух состояний равновесия, включен или выключен и не потеряет энергии.

Рисунок 79

Во включенном состоянии внутреннее сопротивление идеального ключа равно нулю, а в выключенном бесконечности следовательно , а ток через ключ . Во включенном  и , а .

Ключ можно перевести из одного состояния в другое управляющим напряжением  или током  мгновенно, так что на выходе возникают скачки напряжения с амплитудой . При периодической коммутации ключа выходное напряжение имеет форму прямоугольных импульсов. Коэффициент передачи ключа по току и напряжению в моменты включения и выключения соответственно:

Реальные ключи всегда имеют конечное внутреннее сопротивление  в каждом состоянии, а также обладают некоторой емкостью  рисунок 79,б.

Генерирование импульсов осуществляется несимметричными устройствами с самовозбуждением или с внешним запуском. У генераторов с внешним запуском входной сигнал управляет лишь моментом возникновения генерации, а далее генерация происходит за счет внутренних процессов в схеме. Оба генератора относят к большому классу устройств, называемых регенеративными. Регенеративные устройства характеризуются ПОС, которая вызывает лавинообразный процесс в схеме и приводит к скачкообразному изменению состояния схемы, т.е. к скачкам напряжения и тока.

К регенеративным импульсным устройствам относятся триггеры, мультивибраторы, одновибраторы, блокинг–генераторы и др.

Рисунок 80

На  формируются импульсы, форма которых определяется свойствами ФУ. Если ФУ отсутствует на  формируются прямоугольные импульсы.

Простейшие схемы мощных формирователей импульсов с емкостным и индуктивным накопителем.

С увеличением мощности в импульсе и скважностью  формирователь становится неэкономичным, т.к. мощность источника питания должна быть равна мощности импульса.

Поэтому используют накопители энергии (либо электростатический в емкости, либо электромагнитный в дросселе с индуктивностью, индуктивный).

Емкостной при включенном ключе напряжение на конденсаторе в конце процесса заряда достигает максимальной величины  и накапливаемая энергия . При включении ключа, происходит быстрый разряд конденсатора, определяемый постоянной времени . Мощность в импульсе . Для обеспечения большой длительности процесса заряда по сравнению с процессом разряда необходимо условие .

В схеме с индуктивным накопителем рисунок 81,а процесс заряда происходит при замкнутом ключе.

Накопление энергии в дросселе с индуктивностью L осуществляется по мере нарастания тока заряда. При достаточно малых сопротивлениях обмотки дросселя L и внутреннего сопротивления источника питания можно получить большой ток в конце процесса заряда. Накопленная магнитная энергия:

,

где  – ток в конце заряда.

а)                                              б) Рисунок 81

Процесс заряда происходит при выключенном ключе с постоянной времени: .

Мощность в импульсе

Построение регенеративных электронных ключей с S и N – образными характеристиками, которые имеют участок обратного сопротивления.

В зависимости от типа связи регенеративные устройства делят на триггеры (с резистивной связью), мультивибраторы (с емкостной связью), блокинг–генераторы ( с трансформаторной связью). Триггеры и мультивибраторы обычно выполняют на двухкаскадных ключах, блокинг–генраторы – однокаскадных.

По способу (режиму) работы все регенеративные устройства можно разделить на три класса: с двумя состояниями устойчивого равновесия и другим состоянием квазиравновесия (неустойчивого равновесия); с двумя состояниями квазиравновесия. Обычно состояние устройства определяется состоянием входящих в него ключей (включен, выключен).

Устройства первого класса могут неограниченно долго находится в одном или другом состоянии устойчивого равновесия. При чем это первоначальное состояние зависит от случайных причин и каждый раз при включении источника питания разное состояние. Перевод таких устройств из одного состояния в другое осуществляется скачком под действием внешнего запускающего импульса.

Возврат устройства в первоначальное состояние происходит также скачком, но под действием следующего импульса. Таким образом, под действием запускающих двух импульсов устройства вырабатывают один импульс. К такому классу устройств относятся триггеры, а рассматриваемый режим работы называется триггерным.

Устройства второго класса могут неограниченно долго находится в одном строго определенном состоянии устойчивого равновесия. Называемым исходным. Под воздействием запускающего импульса эти устройства переходят скачком в другое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии в устройствах происходит медленные внутренние процессы, обусловленные чаще всего разрядом конденсаторов. В конце процесса разряда возникает обратный скачок и восстанавливается исходное состояние равновесия. Длительность состояния квазиравновесия полностью определяется параметрами схемы. Таким образом такие устройства на один импульс на входе – на выходе генерируют один импульс. В этот класс устройств входят одновибраторы, а описанный режим часто называют одновибраторным. Одновибраторы называют также ждущими (заторможенными) генераторами, например, ждущий мультивибратор, ждущий блокинг–генератор.

Устройства третьего класса ни имеют, ни одного состояния устойчивого равновесия и без воздействия внешних сил поочередно переходят из одного состояния квазиравновесия в другое, т.е. являются автогенераторами, а такой режим называется автогенераторным. К этому классу устройств относятся мультивибраторы, блокинг–генераторы и др. Устройства последних двух классов называют также релаксациоонными.

ТРИГГЕРЫ

Основные понятия

Устройство с положительной обратной связью, которое имеет два состояния устойчивого равновесия и может скачком переходить из одного состояния устойчивого равновесия в другое под воздействием управляющего напряжения  при достижении им пороговых уровней U и U, называют триггерами.

Триггеры делят на симметричные и несимметричные. Если все каскады выполнены по идентичным схемам то триггер называю симметричным в противном случае несимметричным. Триггеры используются как формирователи прямоугольных импульсов, электронные реле, делители частоты, счетчики, запоминающие устройства и т.д. К ним предъявляются следующие основные требования: отсутствие сбоев; высокая помехоустойчивость; высокое быстродействие; высокая чувствительность к запускающим импульсам; высокой нагрузочной способности.

Связь между каскадами осуществляется с помощью резисторов  и , конденсаторы  и  шунтируют резисторы, предназначенные для формирования процессов переключения триггера (рисунок 82,а).

а)                                                               б) Рисунок 82

Длительность фронта импульса на коллекторе насыщенного транзистора при сильно входном сигнале (рисунок 82,б).

Длительность среза импульса на коллекторе запирающего транзистора:

.

Максимальное быстродействие транзистора достигается при выполнении условия , откуда находим оптимальную емкость ускоряющих конденсаторов:

.

Максимальная частота переключения триггера:

,

зависит от амплитуды запускающего импульса.