7.6 Операційні підсилювачі. Функціональні пристрої на операційних підсилювачах

Операционные усилители - усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления.

Входной каскад ОУ выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. Выходное напряжение Uвых находится в одной фазе с разностью входных напряжений: Uвых = U1 - U2. ОУ почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Сумматор

Для суммирования нескольких напряжений можно применить операционный усилитель в инвертирующем включении. Входные напряжения через добавочные резисторы подаются на инвертирующий вход усилителя (рис. 3). Uвых / R = -(U1/R1 + U2/R2 + ... + Un/Rn).

Схема инвертирующего сумматора

Схема инвертирующего интегратора

Дифференциатор

Применение первого закона Кирхгофа для инвертирующего входа ОУ в этом случае дает следующее соотношение:

Функциональный преобразователь обеспечивают нелинейную зависимость входного и выходного напряжений. Такие преобразователи представляют собой масштабные усилители, цепи обратной связи которых выполнены в виде сложных делителей, содержащих линейные и нелинейные элементы.

Генератор прямоугольного и треугольного напряжений

Есть генератор, на одном из выходов которого формируются прямоугольные, а на другом – треугольные колебания (рис. 5). Здесь на усилителе ОУ1 выполнен неинвертирующий триггер Шмитта, а на ОУ2 – интегратор.

7.7 Генерація коливань. Баланс амплітуд, баланс фаз. Генератори

ќ *β=1; |ќ|*|β|* exp( j (φk+ φ β) =1; φk+ φ β = 2πn (n=0.1.2…) Баланс фаз

|ќ| *|β| = 1 - баланс амплітуд- равенство амплитуды колебаний в колебательной (резонансной) цепи генератора амплитуде колебаний, создаваемых в этой цепи усилительным прибором благодаря обратной связи; одно из условий действия генератора с самовозбуждением; соответствует равенству энергии, теряемой в колебательной цепи автогенератора (вместе с подключенной к ней нагрузкой), и энергии, получаемой от усилительного прибора за счет источника питания и благодаря обратной связи.

Электронные генераторы — большое множество устройств в радиотехнике и электронике (радиоэлектронике). Генератор представляет собой электронный усилитель охваченный цепью положительной обратной связи с фильтром.

По форме выходного сигнала:

Синусоидальных (гармонических) колебаний (сигналов) (генератор Мейснера, генератор Хартли (индуктивная трёхточка), генератор Колпитца (ёмкостная трёхточка) и др.)[1]

Прямоугольных импульсов — мультивибратор

Функциональный генератор — прямоугольных, треугольных и синусоидальных импульсов

По частотному диапазону:

Низкочастотные

Высокочастотные

По принципу работы:

Стабилизированные кварцевым резонатором

Блокинг-генератор

RC-генератор

По назначению:

Генератор тактовых импульсов

Большинство генераторов являются преобразователями постоянного тока в переменный ток. Маломощные генераторы строят на однотактных усилительных каскадах. Более мощные однофазные генераторы строят на двухтактных (полумостовых) усилительных каскадах, которые имеют больший КПД и позволяют на транзисторах той же мощности построить генератор с приблизительно вдвое большей мощностью. Однофазные генераторы ещё большей мощности строят по четырёхтактной (полномостовой) схеме, которая позволяет приблизительно ещё вдвое увеличить мощность генератора. Ещё большую мощность имеют двухфазные и трёхфазные двухтактные (полумостовые) и четырёхтактные (полномостовые) генераторы. Мощные преобразователи называются силовыми инверторами и относятся к силовой электронике.

Цепи положительной обратной связи выполняют две функции: сдвиг сигнала по фазе для получения петлевого сдвига близкого к n*2π и фильтра, пропускающего нужную частоту. Функции сдвига фазы и фильтра могут быть распределены на две составные части генератора - на усилитель и на цепи положительной обратной связи или целиком возложены на цепи положительной обратной связи. В цепи положительной обратной связи могут стоять усилители.

Автогенератор — электрический генератор с самовозбуждением.

Автогенератор вырабатывает электрические (электромагнитные) колебания, поддерживающиеся подачей по цепи положительной обратной связи части переменного напряжения с выхода автогенератора на его вход. Это будет обеспечено тогда, когда нарастание колебательной энергии будет превосходить потери (когда петлевой коэффициент усиления больше 1). При этом амплитуда начальных колебаний будет нарастать.

Такие системы называют автоколебательными системами или автогенераторами, а генерируемые ими колебания — автоколебаниями. В них генерируются стационарные колебания, частота и форма которых определяются свойствами самой системы.

Автогенераторы применяются, например, в радиопередающих устройствах.

Блокинг-генератор — генератор кратковременных (около 1 мкс) электрических импульсов, повторяющихся через сравнительно большие интервалы. Применяются в радиотехнике и в устройствах импульсной техники.

Теоретически блокинг-генератор работает и при согласном и при встречном включении обмоток трансформатора, но это два разных генератора с разными режимами работы и с разными характеристиками.

7.8 RC-генератори з поворотом фази.

Для генерирования колебаний низких частот применяются ре­генераторы, которые можно осуществить по одной из схем, описанных ниже. ќ *β=1 . |ќ| *|β|* exp( j (φk+ φ β) =1 φk+ φ β = 2πn (n=0.1.2…) Баланс фаз |ќ| *|β| = 1 баланс амплитуд

Генератор с фозосдвигающими цепочками. Схема генератора с тре­мя фазосдвигающими цепочками приведена на рис. 1. Три це­почки создают сдвиг фаз, равный 180° между напряжениями на коллек­торе и базе. Сопротивление RЗ вместе с сопротивлением R'= R1||R2||h11e можно взять равным сопротивлению R. В этом случае сдвиг фаз на 180° получается на частоте

Рис. 1. RС-генератор с тремя фазосдвигающими цепочками.

RС-генератор с мостом Вина. Мост Вина состоит из сопротивлений Z1, Z2, RЗ и R4.

В качестве сопротивления R4 используется миниатюрная осветительная лампочка с металлической нитью накаливания, увеличивающая свое сопротивление при прохож­дении через нее тока. В RС-генераторе с мостом Вина используется двухкаскадный усилитель, имеющий в широком диапазоне частот постоянный коэффициент усиления и обеспечивающий сдвиг фаз между вход­ным и выходным напряжениями, равный 360°.

Для генерации необходимо, чтобы мост Вина имел коэффициент передачи  =Ugs/Uab = 1/К и не вносил сдвига фаз, Коэффициент усиления К двухкаскадного усилителя равен по величине нескольким сотням или тысячам, поэтому величина коэффициента  достаточная для генерации, очень мала, и схема может генерировать вблизи баланса моста. Баланс же моста имеет место при выполнении равенства Z1R4 = Z2R3

Для цепи, образующей левую ветвь моста сдвиг фаз между напряжениями U1 и U2 равен нулю, если отношение

U2/U1=Z2/(Z1+Z2)

— положительное вещественное число.

Нетрудно видеть, что при 1 = 2 отношение U2/U1, вещественно. Следовательно, сдвиг фаз между U1

И U2 равен нулю, если  1 = 2.

Для Z1 имеем tg1 = X1/R1 = — (C1R1)-1 . Для нижней цепи ве­личину tg2 можно найти из следующего выражения для сопротивле­ния Z2:

Отсюда

tg2=-C2R2

Следовательно, частота 0, для которой  1 = 2 определяется из условия

(0C1R1)-1=0C2R2

Таким образом,

0=(R1C1R2C2)-1/2 (14.56)

Удобно выбрать сопротивления и емкости, равными

В этом частном случае

0=1/RC

1=2=-45 градусов

Z1/Z2=1/2

U2/U1=Z2/(Z1+Z2)=1/3

Следовательно, баланс моста достигается при

R3/R4=Z1/Z2=2

В схеме напряжение отрицательной обратной связи увеличивается вследствие увеличения сопротивления лампы R4 при нагреве за счет протекания через нее части выходного тока, пропорционального напряжению на выходе. В RС-генераторах с мостом Вина можно применять электронные лампы и биполярные транзисторы. В RС-генераторе на биполярных транзисторах, кроме двухкаскадного резисторного усилителя с вклю­чением транзисторов по схеме ОЭ, между мостом Вина и входом усилителя включают эмиттерный повторитель, чтобы не нагружать мост Вина малым входным сопротивлением транзисторного усилителя.