Усилители с обратной связью, дифференциальные и операционные усилители и их применения, страница 3

Ток нагрузки течет по пути: +Е,, транзистор Т,, нагрузка, корпус ( — Е ). Переходные искажения У„„„проявляются очень слабо благодаря наличию небольшого тока через Т, и Т, в исходном состоянии. В силу малого внутреннего сопротивления выходные каскады ОУ легко перегружаются и могут выйти из строя. Для защиты от перегрузок максимальную величину тока нагрузки приходится ограничивать. Один из способов защиты от перегрузки выхода ОУ, ис- пользованный в схеме, представлен на рис. 2.10. Транзисторы защиты Т„, Т, при малых токах нагрузки заперты и открываются только када должна иметь такое значение, которое диктуется требуемым „ транзистора следующего каскада.

Согласование каскадов по янным составляющим может быть выполнено с помощью схем сдвига уровня (трансляторов уровня), входящих в цепи межкаскадной связи. При этом желательно, чтобы схемы сдвига уровня не снижали коэффициент усиления усилителя. Обычно схемы сдвига уровня выполняются на основе эмиттерных повторителей. Некоторые варианты схем сдвига уровня приведены на рис.2.

11. Схема на рис.2.11,а является эмиттерным повторителем с разделенной нагрузкой ( Н,, Л, ). В ней и, — имеющийся уровень постоянного напряжения на выходе усилителя, и, — требуемый уровень постоянного напряжения. при достижении напряжений +Е Л,2 на резисторах Кэ, К поряд3 2 И и 1 1 т 6 Очевидно можно записать: "! "ЬЭд ( и2=! ' != ! Бэ К й "=( " )й+Й.

."! "яз ) Коэффициент передачи этой схемы для сигнала равен примерно коэфЙ2 финиенту деления напряжения К = <1. В схемах на рис.2.11,6 и и роль гасящих сопротивлений выполняют стабилитроны или диоды в ненасыщенном режиме, обладающие малым дифференциальным сопротивлением при практически постоянном падении напряжения У,„или С/ =0,7 В.

Для этих схем можем записать: И2 И1 ИБэ И~~. ~ И2 И1 ИБэ Ид ' П И1 — =и -и- (и+1) ~1, ~ЬЭ2~ ~т ~т— 1 2 д 2 ~4 Е1 ~юу; ~3 + ~4 Š— «д Š— и,, В свою очередь ( Я'-2 + Я'-4 ~2 ~4 Схема работоспособна и при й3 = Н = О . Схема на рис.2.!1,е также является эмиттерным повторителем на Т1 „нагруженным на цепочку Я1 — генератор стабильного тока на Т,, Р2. Коэффициент передачи по напряжению близок к единице Л» Р1 В этом случае можем записать ~/2 ~/1 У 1 Н т 2 1 БЭ/1 /1 1 я ос ' Коэффициент передачи сигнала близок к единице, яе Л Р В схеме на рис,г р .2.11 роль гасящего сопротивления выполняе Тогда и =и, — и.

1 3 Д Д + Д 2 Бэт ' При иьэу =иьэт =иьэ, Э ! 2 я ЦЕПЬ, СОСтОЯЩаЯ ИЗ,, 2 . Ре Т, В й . Транзистор Т охвачен обратной связью 2 2 3 4 3. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ С ЦЕПЯМИ ВНЕШИЕИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ Операционные усилители используются как обычные усилительные каскады, решающие и функциональные усилители в аналоговых вычислительных машинах и системах обработки сигналов„для создания активных фильтров, конверторов сопротивлений, гираторов и пр. Ниже рассматриваются некоторые из возможных применений ОУ. Полагаем, что усилитель безусловно устойчив (имеет цепи коррекции), обладает бесконечно большим входным сопротивлением и бесконечно большим усилением.

Последние два допущения резко уп- рощают анализ схем и хорошо выполняются для высококачественных ОУ. Основным видом ОС для Рис.3.4 Таким образом, устройство осуществляет суммирование входи напряжении ~ весами йо~/Л и инверсией знака суммы В принципе операцию ~, и., суммированич можно было бы Выполнить и без применения ОУ с обратной связью (рис.3.4), вых осуществляя суммирование ~. г„ токов, текущих от каждого ис- О К„ точника через резистор Р„и сопротивление нагрузки Ж„. Для схемы на рис.3.4 имеем: (3.2) Отсюда указанных применений является параллельная ОС по напряжению — '+ — 2+ + ~ где  — входное сопротивление ОУ. вх В свою очередь ц ц, и„ Д, Д, Я„Ко ц — ц .

К" = -~/ К + — +...+ + Я, Л, " ~„~ос | .1. что при Р.о~ > дридодит к соотношений) 0 ) 3.2. Инвертиру~он1ий масштабный усилитель .3.5. По с ществу — это сумматор с Схема усилителя изображена на рис... у одним слагаемым. Поэтому из ~3.1) сразу получаем У„„, = - ос У„„. (3.4) ак видим, коэффициент усиле- ния определяется только соот- Схема обладает невысоким входным сопротивлением И,„= й+ + й„- К'~ = Л, что является ее недостатком по сравнению с повторителями, имеющими ОС последовательного типа. 3.4.

Нсинвсртирующий масштабный усилитсль Схема устройства приведена на рис.3.6. Здесь аых р у У К Л+Н откуда имеем Л+М с выл вс аи =Ц [+ «ЭС В данной схеме напряжение ОС подводится к инвертирующему входу, а сигнал подается на неинвертирующий вход. Поэтому входное сопро- Рве З.6 откуда 3.8. Интсгрирующсс устройство Здесь в качестве элемента ОС используется конденсатор С, . (рис.3.10), С учетом того, что У = ~/, = О, получаем и, +и„„„ 0 1+ гп С =у —. Поскольку при лп л~ лругои стороны, = 2 = и ~+ „, ' Ь с„,.

К -+ У =У„получаем ~ ык — = — уиС .(/ ОС выл ' (, ' зк Откуда ЭЫЮ и„„„= (и -~~). (3.7) ! Следует заметить, что ОУ с двумя входами сам производит опера- Рис.3.10 хо ных нап яжений, что отображается его эквива- Как известно, деление каждой спектральной составляющей на ~со лентной схемой (см. рис.3.2).

Однако при охвате его отрицательной ОС от свойств самого усилителя и, эквивалентно интегрированию оригинала во временной области, т.е. для результат вычитания перестает зависегь от свойст иления который зависит от многих мгновенного значения выходного напряжения получим в частности, от его коэффициента усиления, кото ь 3.19.

Дифференцирующие устройство Для схемы на рис.3.13 получаем Л при У, =У, =0 Как видно, для достаточно точного выполнения операции интегрирования требуется большое (и постоянное) сопротивление нагрузки и большие значения Й и С, что приводит к уменьшению абсолютного значения выходного напряжения. Применение последующего усилителя связано с введением нестабильности (нестабильный К ). Эго делает предпочтительным применение интегратора на ОУ с емкостной Ос. Фактически схема на рис.3.10 сводится к схеме на рис.3.11, если учесть, что роль С в ней играет входная емкость ОУ с обратной связью. Согласно (!.2б) получаем прн ))'= (, К" = — ~К" ~ — ~ 0„„— ~/ ц — ц 1/„~~йС ~ос Рис.3.13 Откуда 0„„„= — ~ай -СЦ„„.

(3.15) Поскольку умножение спектральных компонент на ~а эквива- у — у" + а С 1+ К" =1ИС . К =/ЮС„„ Таким образом, для ОУ в схеме на рис.3.10 лентно дифференцированию оригинала, можем записать С,„=~~К'~~С (3.13) и „(!)=-Ро С вЂ”" Йг,„(!) (3.1б) Й т.е. она очень велика, что фактически и обеспечивает точное выполне- ОУ Здесь опять легко видеть, что дифференцирование фактически осущестние операции интегрирования во входной цепи в соответствии с (3.11), (а3.12). вляется во входнои цепи ОУ за счет очень малои постояннои времени д0 1= 1 ехр — -1 — о 3.14.

Логарифмический иерсмножитель о У У,„ 1=1 ехр— Ю вых ИТ Д д~ Рис.3.15 с;, — аряд эл~~тр~на ~ 1,6-10 " Кул); ~ — постоянная Больцмана ~1,38-10 2З Дж/град); Т вЂ” температура перехода по шкале Кельвина; ина ~/ — напряжение на переходе. В схеме на рис.3.15 диод отперт только при (/„„>О и, соответственно, при У сО. Это означает, что при У ~/, =О напряжение на 1,Ц диоде У=У„,„и приложено в !, прямом направлении. При этом — м- Л управляемый ток диода много больше обратного тока насыщения ~вх + ь-' 1, и можно записать Г, Здесь опять выбором Кос можно получить 1/ос — — 1 В или 1„Кос —— 10 з и, измеряя У„„и У„,„в вольтах или милливольтах, обратить 1п !ой в нуль.

При У„„с 0 необходимо изменить полярность включения диода Д. Схема (рис.3.17) осуществляет перемножение входных величин ~/, и ~/, путем их логарифмирования, суммирования логарифмов и вычисления антилогарифма. Считая, что / Л и 1 Я . подобраны так, что в масштабе измеряемых величин 1п 1 Л =1п /ф = О, очевидно, получим ~Т ('Т 1одС/, = — 1п У,, 1оц~/, = — 1п У „У = — ~1оуУ, + 1оуУ,), 1п У.„,„= — 1п У = 1п У, + 1и У, = 1п У, У,, т.е. У„„„= ~/ - ~/, сопротивлению.

Идеальный гиратор подобного типа представляется четырехполюсником с матрицей Г -па- 2 раметров (рис.3.18,а) — 021 О эквивалентной схемой на рис.3.18,6 и условным обозначением на рис.3.18,в. 2 Как известно, входная проводимость четырехполюсника, нагруженного на У„, есть (3.23) С',— А У О,— А.,~l, Откуда матрица проводимостей (3.28) Обычный ОУ, не имеющий высокоомного выхода, этим условиям не отвечает, являясь источником напряжения, управляемым напряжением (ИНУН).

Поэтому требуется компенсация выходных сопротивлений, для чего вводятся соответствующие отрицательные сопротивления, которые можно создать„применив ОУ с обратной связью. Положим, что имеются два ИНУН с внутренними сопротив- к,с„ лениями В, и А,, входящие в рассматриваемый четырехполюсник так, как указано на К,Г) рис.3.20. Очевидно Рис.3.20 что при 1;,=У2,=0, 2; =О, 1 А., Зависимые генераторы напряжения й У, и -А,У, реализуются с помощью схем с на ОУ (см. рис.3.5, рис.3.б), а отрицательные резисторы — й, и — К, — как входные сопротивления ОУ, охвачен- Входное отрицательное сопротивление усилителя 3 ( — И ) компенсирует положительное выходное сопротивление усилителя 2 вместе с резистором Л ( й ). Таким образом, матрица проводимостей схемы на рис.3.23 Я' ного отрицательной и поло- Соответственно входная проводимость (см.(3.24), (3.25)) жительной обратными связяРис.3.22 ми схемы на рис.3.22.

Здесь согласно (3.6) коэффициент передачи с неинвертирующего входа равен 2 ( А„с = А ), т.е. Сl, „= 2У„„. Входное сопротивление неинКомпенсация выходного соп отивления силителя 2 вместе с еос ' ' ' "": зистором Л может быть произведена в нем самом, если охватить его вертирующего входа я,„, = — '" = "' = — Я'. Функции компенси~~ах ~~м положительной обратной связью, подав напряжение У, на его неинвер- ~/ — 20 »~ »~ ах тирующий вход. Тогда надобность в компенсирующем усилителе 3 отрующих усилителей, вообще говоря, могут выполнять те усилители, падает, и он может быть заменен резистором Н .