Усилители переменного напряжения

В усилителях переменного напряжения ООС по постоянному току, как правило, выполняется 100 %-й. Так, в схеме (рис. 8.28, а) коэффициент передачи по постоянному току равен единице, а по переменному:

К = 1 + R₂ /R₁.

Входное сопротивление в данном усилителе очень большое, так как здесь осуществляется компенсация входного тока:

R_вх=R₃K_y /K.

При R₂= 0 схема (рис. 8.28, а) преобразуется в повторитель напряжения с высоким входным сопротивлением (рис. 8.28, б).

В усилителях переменного напряжения целесообразно использовать только один источник питания положительной или отрицательной полярности. Однако при этом на входе ОУ необходимо включать цепь для формирования напряжения смещения, с помощью которой на выходе ОУ устанавливается напряжение, равное половине напряжения питания.

Так, в схеме (рис.8.29,а) напряжение смещения формируется делителем напряжения R₃, R₄, при этом R₃ = R₄. Коэффициент передачи для данной схемы при x_с1 << R₁ равен:

К = R₂/R₁.

Конденсатор С₂предназначен для подавления пульсаций. В схеме (рис. 8.29, б) напряжение смещения формируется делителемR₁,R₄. Для данной схемы приx_c1<<R₃и х_с2<<R₁||R₄коэффициент передачи равен:

К = 1+R₂ /(R₁||R₄).

Врассмотренных схемах используется емкостная развязка входных цепей. Очевидно, что при подключении входного сигнала разделительный конденсатор С₁будет заряжаться с постоянной времениτ=R₁C₁(рис. 8.29,a), что обусловливает большое время установления номинального режима работы ОУ.

9. Устройства сравнения аналоговых сигналов

9.1. Компараторы

Выходное напряжение усилителя ограничено величиной ±U_{вых max}. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя (К_{U оу}) велик, то значение выходного напряжения (U_вых = ±U_{вых max}) достигается при очень малых входных напряжениях:

U

Рис. 9.1. Схема компаратора

_вх= ±U_{вых max} / K_{U оу}.

Поэтому можно считать.

То есть операционный усилитель является схемой сравнения входных сигналов – компаратором.

Компараторыпредставляют собой устройства, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низкий дрейф напряжения сдвига, устойчиво работать без самовозбуждения и иметь низкое значение тока смещения. Один вход компаратора (рис. 9.1) соединен с источником опорного напряжения, а на другой подается входной сигнал. Когда U_вх подается на инвертирующий вход и U_оп > 0, выходное напряжение будет отрицательным при U_вх > U_оп, и положительным при U_вх < U_оп.

К

Рис. 9.2. График работы компаратора

огда входной сигнал в процессе изменения становится больше опорного, то выход компаратора немедленно изменяет свое состояние (рис. 9.2).

Если, например, изменение выходного напряжения составляет 5 В, а коэффициент усиления компаратора равен 100 000, то разность входного и опорного напряжений (U_вх – U_оп.), вызывающая изменение выходного напряжения, будет равна:

мВ,

то есть сравнение двух уровней напряжения осуществляется с высокой точностью. Но эта схема обладает существенным недостатком: если входной сигнал изменяется медленно и его величина близка к U_оп, то шумы, содержащиеся в U_вх, могут вызвать ложные срабатывания (рис. 9.3).

Более устойчивым к действиям помех является компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью (ПОС), осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторови(рис. 9.3, а ). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 9.3, б ). Схема известна под названием триггера Шмита или порогового устройства.

Переключение схемы (рис. 9.4) в состояние -U_вых.maxпроисходит при достиженииU_вхнапряжения (порога) срабатывания (U_ср), а возвращение в исходное состояние (U_вых= +U_вых.max) происходит при сниженииU_вхдо напряжения (порога) отпускания (-U_отп). Значения пороговых напряжений находят по схеме, положивU₀= 0:

;

.

Частным случаем схемы (см. рис. 9.4) при = 0 является схема (рис. 9.5). Ее пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 9.6) составляют:

; ;.

Величина гистерезиса (зоны нечувствительности) определяется пороговыми напряжениями. Выбирая необходимые значения пороговых напряженийи, можно изменять «зону нечувствительности» компаратора в зависимости от уровня помех (рис. 9.6).

Компаратор с ПОС может использоваться в качестве формирователя прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы.