Электроника учебное пособие

где Uд – в данной схеме является выходным напряжением. Тогда из (8.1)

для выходного напряжения получаем следующее выражение:

Uвых = Uт [ln(Uвх R) − ln(I0 )].

При использовании схем логарифмического усилителя следует помнить, что при больших токах диода приведенные выражения дают значительную погрешность, что является следствием действия собственных активных сопротивлений приборов. Поэтому максимальное выходное напряжение для приведенной схемы не должно превышать величину в 0,6 В. В тех случаях, когда необходимо иметь большие напряжения, выходной сигнал схемы следует усиливать.

Для получения антилогарифмического усилителя в рассмотренной схеме диод и резистор следует поменять местами (см. рис. 8.10). Тогда,

Uвых = −RI0 exp(Uвх Uт ).

Контрольные вопросы

1.Назовите необходимое условие построения решающих схем на операционных усилителях.

2.Как входные сопротивления влияют на величину выходного напряжения схемы инвертирующего сумматора и почему?

3.Как сопротивление обратной связи влияет на величину выходного напряжения схемы сложения-вычитания и почему?

4.Как при построении интеграторов и дифференциаторов используется конденсатор?

5.Каково условие получения логарифмической и антилогарифмической характеристики на выходе решающей схемы?

91

ГЛАВА 9. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ. УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

§ 9.1. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ

Активными называются фильтры, использующие для формирования частотной характеристики заданного вида и пассивные, и активные элементы.

Преимущества и достоинства использования активных фильтров:

1)способность к усилению сигнала, лежащего в полосе пропускания;

2)легкость настройки;

3)позволяют отказаться при построении фильтров от использования индуктивностей, реализация которых несовместима с интегральной технологией;

4)простота каскадного включения при построении фильтров высоких порядков.

Недостатки активных фильтров, ограничивающие область их применения:

1)необходимость источника питания усилителя;

2)ограниченный частотный диапазон, определяемый собственными частотными свойствами применяемых усилителей.

Классификация активных фильтров осуществляется по диапазону рабочих частот. Соответственно различают:

фильтры низких частот (ФНЧ), пропускающие сигналы с частотой от ω = 0 до некоторого ωср (рис. 9.1, а);

фильтры высоких частот (ФВЧ), пропускающие сигналы с частотой от ωср до некоторого ω → ∞ (рис. 9.1, б);

полосовые (ПФ), пропускающие сигналы в диапазоне частот от ω1 до

ω2 (рис. 9.1, в);

режекторные (заградительные) фильтры, не пропускающие сигналы в узком диапазоне частот от ω1 до ω2 (рис. 9.1, г).

92

Как и в усилителях, полоса пропускания в фильтрах определяется по уровню падения коэффициента передачи в 1,41 раза (3дБ).

ЛАЧХ фильтра низких частот показана на рис. 9.5. Частота ω2 опре-

Передаточные функции приведенных простейших фильтров представляют собой уравнения первого порядка, поэтому и фильтры называются фильтрами первого порядка.

При объединении фильтров низких и высоких частот получается по- лосовой фильтр (рис. 9.6), имеющий ЛАЧХ (рис. 9.7). Коэффициент передачи полосового фильтра определяется следующим соотношением:

K( jω) = − R2 1( jωC2 ) .

R1 + 1 ( jωC1)

94

§ 9.2. УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Устройство сравнения аналоговых сигналов (компаратор) выпол-

няет функцию сравнения либо двух входных сигналов между собой, либо одного входного сигнала с некоторым заданным эталонным уровнем. При этом на выходе устройства формируются только два значения выходного сигнала: если один из сравниваемых сигналов больше другого, то выходной сигнал принимает значение Uв , в противном случае Uн . В общем случае Uв и Uн могут отличаться как по величине, так и по знаку.

О сигналах компаратора можно сказать, что входной сигнал носит аналоговый характер, а выходной – цифровой. Вследствие этого компараторы часто используются в качестве элементов связи между аналоговыми и цифровыми устройствами (простейшие аналого-цифровые преобразователи).

Рассмотрим работу ОУ при больших амплитудах входного сигнала. При использовании ОУ полагаем, что при всех изменениях входного напряжения выходное напряжение не достигает своего максимального значения. Рассмотрим ситуацию, когда данное условие не выполняется. Для этого обратимся к схеме инвертирующего усилителя, приведенной на рис. 9.8. В данной схеме эталонный уровень напряжения, с которым происходит

Um > Uвых max / KU 0 .

Временные диаграммы, поясняющие работу усилителя в этом случае, приведены на рис. 9.9.

95

Однопороговыми называются устройства сравнения, для которых коэффициент усиления используемого усилителя всегда остается положительным ( KU 0 > 0). Из этого следует, что при работе такого устройства всегда присутствует некоторая неидентифицируемая область входного напряжения. В качестве однопороговых устройств сравнения могут исполь-

96

зоваться ОУ без цепей ОС или с положительной ОС, коэффициент передачи для которых подчиняется следующему условию:

bOC ≤ K1 .

U 0

Анализ схемы на рис. 9.8 показывает, что ее срабатывание происходит в момент равенства нулю напряжения между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ. Используя это свойство, можно легко построить на основе данной схемы устройство сравнения входного напряжения с некоторым наперед заданным эталонным уровнем напряжения.

Для осуществления этого достаточно неинверирующий вход ОУ подключить к общей шине устройства через источник ЭДС, абсолютная

нения.

Рис. 9.11. Передаточная характеристика однопороговой схемы сравнения для случаев Еэт > 0 (а) и Еэт < 0 (б)

97

Если в схеме рис. 9.10 вместо источника эталонного напряжения использовать второе входное напряжение, ОУ превратится в схему сравнения двух напряжений. В данном случае можно сказать, что переключение усилителя будет происходить в момент равенства входных напряжений как по абсолютному значению, так и по знаку. Схема такого устройства и временные диаграммы приведены на рис. 9.12 и рис. 9.13.

Регенеративная схема сравнения

98

Использование в схеме сравнения ОУ, у которого передаточная характеристика имеет область неоднозначности соответствия входного и выходного напряжений (имеет гистерезис), позволяет построить устройства, у которых напряжения срабатывания и отпускания не равны между собой. Принципиальная схема такого устройства сравнения и ее передаточная функция приведены на рис. 9.15.

Рис. 9.15. Гистерезисная схема сравнения (а) и ее передаточная характеристика (б)

Предположим, что в определенный момент времени входное напряжение схемы равно нулю, а на ее выходе присутствует напряжение положительной полярности +Uвых max . Тогда к неинвертирующему входу ОУ приложено положительное напряжение Uвх н =Uвых max RПОС2 (RПОС1 + RПОС2 ).

Поэтому рассматриваемое состояние устойчиво и может поддерживаться сколь угодно долго до тех пор, пока изменяющееся входное напряжение не достигнет этого же уровня. В этот момент произойдет изменение

99

100