4.2 Расчет усилителей переменного напряжения

Расчет усилителей переменного напряжения аналогичен приведенному выше, однако имеет ряд особенностей:

1. Влияние Есм на погрешность усиления можно устранить, используя разделительные конденсаторы. Однако, при этом необходимо обеспечить выполнение условия

К(Um+Есм)<Епит-2В,

что обеспечит отсутствие нелинейных искажений выходного напряжения усилителя. Здесь: Um – амплитудное значение входного сигнала, Есм и Епит – напряжения смещения и питания ОУ соответственно.

2. Используя известную зависимость

Косf=f₁,

где Кос – коэффициент усиления ОУ, охваченного ООС;

f – полоса рабочих частот,

f₁ – полоса частот единичного усиления ОУ (по справочнику), проверить обеспечивает ли выбранный ОУ требуемый коэффициент усиления К в заданной полосе частот, т.е. К<Кос=f₁/f. В противном случае необходимо использовать более высокочастотный ОУ (К544УД2, К574УД1 и пр.)

3. Используя зависимость для сигналов синусоидальной формы и для импульсных сигналов, проверить способность выбранного ОУ обеспечить требуемый уровень выходного напряжения по скорости нарастания. Здесь

U_выхmax – максимальная амплитуда напряжения на выходе ОУ;

V – скорость нарастания выходного напряжения ОУ (по справочнику);

f_max – максимальная частота выходного сигнала;

t_ф – длительность фронта импульсного сигнала.

Так ОУ К140УД8 (f₁=1МГц, V=2В/мкс) способен обеспечить К=20 в полосе частот f=f₁/K=50кГц при U_{вых max}=0,3В. Более скоростной ОУ К544УД2 (f₁=15МГц, V=20В/мкс) обеспечивает К=20 в полосе f=750кГц при любой амплитуде выходного напряжения (в пределах, оговоренных в ТУ на ОУ).

5 Амплитудные выпрямители

Для контроля амплитуды импульсных и переменных сигналов необходимо выделить их амплитуду и запомнить её на время сравнения со значениями допусков.

Для выделения амплитуды сигналов могут быть использованы амплитудные выпрямители, устройства выборки и хранения (УВХ) или пиковые детекторы.

Амплитудные выпрямители (АВ) предназначены для формирования постоянного выходного напряжения, пропорционально амплитуде входного переменного или импульсного напряжения. Они строятся в соответствии со следующей функциональной схемой (рисунок 12), включающей в себя измерительный выпрямитель и фильтр низких частот (ФНЧ).

Рисунок 12 - Функциональная схема амплитудного выпрямителя.

Схемы простейшей реализации АВ представлены на рисунке 13.

Рисунок 13 - Схемы амплитудных выпрямителей

Общим недостатком схем АВ, представленных на рисунке 13, является высокая погрешность преобразования обусловленная неидеальными вольтамперными характеристиками диода и транзистора. Например, для диодов типа Д101 при прямом токе 1 мА прямое падение напряжения лежит в пределах Uпр = 0.9  1 В. Кроме того, Uпр существенно зависит от температуры.

Для схемы на рисунке 13,а требуется значительный ток от источника сигнала для заряда ёмкости хранения С. На рисунке 13,б эта проблема решена за счет введегния транзистора VT, однако при этом увеличилась погрешность преобразования из-влияния неидеальности транзистора.

Обе схемы при этом требуют высокого значения Rн, чтобы конденсатор не успевал заметно разрядиться за период входного сигнала Т (рисунок 14), т.е Uр0.

Рисунок 14 - Диаграммы напряжений на входе и выходе амплитудного детектора

Для исключения влияния прямого падения напряжения Uпр на нелинейном элементе, используют активные выпрямители, построенные на базе ОУ (рисунок 15).

R1

10K

Рисунок 15 - Схема амплитудного выпрямителя на ОУ

В активном выпрямителе (рисунок 15 ), когда U_вх имеет значение меньшее, чем U_вых, диод закрыт, а ОУ находится в насыщении и на его выходе отрицательное напряжение – Uоу. Когда же U_вх  U_вых, диод открыт и, следовательно, напряжение на выходе ОУ максимально положительное + Uоу. Таким образом, в схеме на рис.12 ОУ работает в ключевом режиме. Из-за насыщения выходных каскадов ОУ переключение выхода требует значительного времени, (нескольких миллисекунд на вольт). Следовательно, схему на рисунке 15 можно использовать только на низких частотах порядка сотен герц и при низких значениях скважности входных импульсных сигналов. В схеме резистор R1  10кОм ограничивает ток разряда конденсатора С через входную цепь ОУ при выключенном напряжении питания. Резистор Rо ограничивает выходной ток ОУ при заряде конденсатора С и способствует повышению устойчивости цепи к самовозбуждению при работе на ёмкостную нагрузку.

Для расширения частотного диапазона можно использовать взамен ОУ компаратор или схему, не приводящую ОУ к насыщению. В схеме на рисунке 16 для исключения влияния Rн используется повторитель на ОУ2. Цепочка VD2, R1 исключает насыщение ОУ1 при U_вх  0.

Рисунок 16 - Схема амплитудного выпрямителя

Цепочка VD3, R2 препятствует разряду конденсатора обратным током диода VD1. Резистор R2 обеспечивает в данном случае эквипотенциальность анода и катода диода VD1 при U_вх  0.

В амплитудных выпрямителях необходимо предусматривать цепи, позволяющие производить периодический или непрерывный разряд запоминающего конденсатора. Это требуется для обновления хранимого значения амплитуды сигнала при его уменьшении во времени (рисунок 17).

Рисунок 17 - Схемы для разряда ёмкости: а) периодически б) непрерывно

Роль резистора, осуществляющего непрерывный разряд конденсатора хранения, могут играть сопротивления нагрузки и сопротивления утечки конденсатора.

Например, для схемы на рисунке 13,а конденсатор С разряжается током нагрузки, обратным током диода VD и током утечки С. Для схемы на рисунке 16 - только входным током ОУ2 и током утечки самого конденсатора С.

Оценку изменения напряжения на конденсаторе за период производят в соответствии с формулой: ,

где С – ёмкость конденсатора;

I (t) – ток разряда конденсатора;

T – время разряда конденсатора.

Для амплитудного выпрямителя при незначительном разряде ёмкости С можно получить при I (t)=const.

При известном значении Iн и заданном допустимом значении разряда конденсатора Uc ( где _д - относительная допустимая динамическая погрешность) можно определить минимальное значение ёмкости конденсатора С:

,

где U_m вх = амплитуда входного сигнала.