Контрольные вопросы

1 Каковы характерные особенности операционных усилителей?

2 Почему дифференциальные каскады имеют малый дрейф выходного напряжения?

3 В чем основные особенности схемотехники балансного УПТ?

4 Какой сигнал в УПТ называется синфазным?

5 Какие типовые каскады присутствуют в структурной схеме операционного усилителя?

6 Какие специфические параметры имеет операционный усилитель?

7 В чем разница между инвертирующим и неинвертирующим опера­ционными усилителями?

8 Охарактеризуйте понятие «идеальный ОУ». Как оно используется на практике?

9 Какой тип обратной связи используется в операционных усилителях?

10 Какие погрешности характерны для ОУ?

11 Какие методы минимизации погрешностей ОУ используются в схемах измерительных усилителей?

Лекция 11 Тема: Преобразователи и генераторы на базе операционных усилителей.

Цель: Формирование у студента компетенции ПК-20, ПК-38.

Вопросы для изучения.

1. Преобразователи на базе операционных усилителей. Схемы генераторов и формирователей на базе ОУ. Гармонические генераторы на ОУ.

2. Релаксационные формирователи и генераторы. Усилители с преобразованием спектра входного сигнала. Интегральное исполнение операционных усилителей и компараторов.

1. Преобразователи на базе операционных усилителей. Схемы генераторов и формирователей на базе оу. Гармонические генераторы на оу.

Назначение преобразователей на базе ОУ – обработка информационных сигналов в зависимости от назначения измерительного устройства.

На рисунке 11.1 показана схема повторителя сигнала. Входное сопротивление повторителя , т.е. очень большое. Выходное сопротивление . Такие параметры делают повторитель удобным каскадом согласования высокоомного источника сигнала и низкоомной нагрузки.

Рисунок 11.1 – Схема повторителя на базе ОУ

Инвертор представляет собой инвертирующий ОУ с коэффициентом передачи . Таким образом, реализуется только инверсия сигнала без его усиления.

На рисунке 11.2 показана схема двухвходового инвертирующего сумматора. Здесь резисторы , служат совместно с для образования ООС. Кроме того, резисторы и служат для взаимной развязки друг от друга источников сигналов.

Рисунок 11.2 – Схема инвертирующего сумматора

При , и . Для каждого источника входное сопротивление сумматора , выходное сопротивление .

На рисунке 11.3 показана схема интегратора. В цепь ООС вместо R2 включен конденсатор С. Так как для «идеального ОУ» , , , то . Входное сопротивление при этом , а выходное сопротивление – .

Рисунок 11.3 – Схема интегратора

В частном случае, когда на вход интегратора подается импульс постоянного напряжения длительностью , на выходе образуется линейно изменяющееся напряжение , где – постоянная времени цепи обратной связи, . Интегратор, работающий в указанном режиме, часто используется в генераторах линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), а также в схемах формирования пилообразного напряжения развертки.

На рисунке 11.4 показана схема компаратора, которая служит для определения момента равенства двух напряжений. Здесь входное синусоидальное напряжение сравнивается с нулевым потенциалом. ОУ использован без обратной связи, что является особенностью данной схемы.

Рисунок 11.4 – Схема компаратора

Напряжение на выходе принимает два крайних значения , где – напряжение насыщения ОУ (максимально возможное напряжение на выходе, обычно ниже напряжения питания на 1...2 В). При положительном входном сигнале напряжение на выходе отрицательное. При переходе входного напряжения через нуль выходное напряжение меняет знак.

Широкое применение в измерительной технике находят активные фильтры на базе ОУ. Термин «активный» объясняется включением в схему -фильтра активного элемента, в данном случае ОУ. Смысл такого включения заключается в компенсации потерь на пассивных элементах фильтра в целях получения высокой равномерности коэффициента передачи в полосе пропускания и большой крутизны спада передаточной характеристики.

Измерительный усилитель тока используется для измерения малых токов без внесения искажений в цепь за счет внутреннего сопротивления обычного микроамперметра (рисунок 11.5). Источник измеряемого тока показан в виде эквивалентной схемы, содержащей источник ЭДС с внутренним сопротивлением , выполняющее роль резистора в обычной схеме инвертирующего усилителя. В этом случае , что легко выполнимо для ОУ, имеющего большой собственный коэффициент усиления. По этой же причине входное сопротивление схемы весьма мало и не оказывает влияния на величину измеряемого тока. Заменив в схеме резистор на конденсатор, получим интегратор входного тока (усилитель электрического заряда), удобный, например, для усиления сигналов пьезоэлектрических датчиков. В этом случае существенно снижается погрешность измерения по сравнению с обычной схемой усиления напряжения пьезоэлектрического датчика.

Свойство усилителя на базе ОУ поддерживать ток в цепи обратной связи, равный току во входной цепи, используется для прецизионных преобразователей сопротивления в напряжение (ПСН), особенно если резистивный датчик (обычно тензодатчик) находится на значительном удалении от измерительной части схемы (рисунок 11.5).

Рисунок 11.5 – Схема простейшего ПСН: , – измеряемое и образцовое сопротивления, соответственно; , – сопротивления проводов линии связи; – образцовое напряжение

Из этого следует: при условии ,

где .

Откуда реально ,

т.е. вносится погрешность влияния сопротивления соединительных проводов.

Существенно уменьшить эту погрешность можно, используя трехпроводную линию, как показано на рисунке 11.6. В этом случае третий провод передает лишь потенциал на инвертирующий вход ОУ, поскольку его сопротивление чрезвычайно мало по сравнению с входным сопротивлением ОУ. Сопротивление обычно много меньше образцового и также перестает существенно влиять на погрешность, кроме того, справедливо и неравенство . При этих практически реальных условиях можно показать, что

,

т.е. практически всегда можно обеспечить равенство

и в этом случае результат измерения будет близок к идеальному.

Рисунок 11.6 – Схема ПСН с трехпроводной линией: , , – сопротивления проводов

Схемы генераторов и формирователей на базе ОУ.

В генераторных схемах ОУ охвачен положительной обратной связью, обеспечивающей выполнение двух условий возникновения автоколебаний: условия баланса амплитуд и условия баланса фаз. Для положительной обратной связи формула, связывающая внешний и внутренний коэффициенты усиления с коэффициентом обратной связи, выглядит следующим образом:

.

Для возникновения автоколебаний произведение коэффициента обратной связи на внутренний коэффициент усиления (петлевое усиление) должно быть равно единице. В этом случае внешний коэффициент усиления стремится к бесконечно большой величине, т.е. возникают автоколебания. Поскольку величины коэффициентов, входящих в формулу петлевого усиления, являются комплексными, то для выполнения равенства

необходимо обеспечить равенство единице произведения действительных частей коэффициентов: (условие баланса амплитуд), амплитуда сигнала обратной связи должна быть достаточной для поддержания колебаний. Кроме того, необходимо обеспечить равенство нулю (или 2π, 4π...) фазового сдвига между напряжением на входе усилителя и напряжением обратной связи, т.е. должно выполняться равенство

(условие баланса фаз),

где , – фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью обратной связи соответственно.

Гармонические генераторы на ОУ.

Схема генератора синусоидального напряжения с RC-времязадающей цепью (мостом Вина) приведена на рисунке 11.7.

Рисунок 11.7 – Схема гармонического генератора с мостом Вина

В схеме моста Вина сопротивления резисторов и емкости конденсаторов одинаковы: , – и служат цепью положительной обратной связи. Условие баланса фаз соблюдаются на частоте

.

Модуль коэффициента передачи моста Вина , таким образом, условие баланса амплитуд будет выполнено, если коэффициент усиления операционного усилителя будет не менее трех единиц, что обеспечивается вспомогательной цепью отрицательной обратной связи ( , ). Схемы такого типа применяются при низких требованиях к стабильности частоты не слишком высоки.