Глава 2 (Учебник - информационные системы), страница 8
Описание файла
Файл "Глава 2" внутри архива находится в папке "Учебник - информационные системы". Документ из архива "Учебник - информационные системы", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 9 семестр (1 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Глава 2"
Текст 8 страницы из документа "Глава 2"
В настоящее время ОУ в информационных системах вытесняют дискретные транзисторные усилители, и практически по всем показателям, кроме мощности, превосходят их. Обычно подобные устройства используются в качестве первого каскада усиления в измерительных цепях датчиков. Задачей ИУ является нормализации сигнала, т.е. приведения его стандартному уровню. Исходя из этого, основным требованием к ИУ является точность. Для ее обеспечения необходимо выполнение следующих условий:
-
постоянство коэффициента усиления Ku и его независимость от частоты и фазы входного сигнала;
-
бесконечный коэффициент ослабления синфазного сигнала Kос.сф;
-
нулевые входное и выходное напряжения смещения;
-
нулевой выходной импеданс.
Указанные условия требуют применения комплексных схемотехнических решений. Как правило, ИУ строится на базе прецизионного ОУ и содержит не менее трех каскадов усиления, каждый из которых решает собственную задачу. ОУ имеет два входа - инвертирующий и неинвертирующий и один выход, напряжение на котором синфазно с напряжением на неинвертирующем входе.
Первый каскад всегда представляет собой дифференциальный усилитель. Простейший дифференциальный усилитель включает активную схему с двумя симметричными плечами, питание которой производится генератором тока (рис. 2.35). Входным сигналом Uвх является разность напряжений на входах Вх1 и Вх2 схемы, выходным Uвых - разность напряжений на выходах Вых1 и Вых2.
Напряжения с первого каскада поступают на второй, состоящий из инвертора и эмиттерного повторителя (рис. 2.36). Назначение этого каскада заключается в преобразовании двухфазного сигнала с дифференциального усилителя в однофазный. Сигнал с Вых2 инвертируется и вычитается из сигнала с Вых1. Третий каскад ОУ используется для усиления сигнала и содержит эмиттерный повторитель, снижающий выходное сопротивление усилителя. Для увеличения Ku в схеме ОУ могут содержаться дополнительные каскады усиления.
ИУ является достаточно сложным прибором и его функционирование описывается большим количеством параметров. Отметим важнейшие из этих параметров и укажем диапазон их численных значений:
-
коэффициент усиления (Ku ~103 ... 108);
-
коэффициент ослабления синфазных напряжений (Kос.сф ~ 60 ... 120 дБ);
-
напряжение смещения Uсм, характеризующее несимметричность входного каскада и равное напряжению, которое надо подать на усилитель, чтобы сигнал на его выходе обратился в нуль. (Uсм ~ 10 -2 ... 102 мВ);
-
входное (дифференциальное) сопротивление Rвх, равное отношению изменения дифференциального напряжения на входах ИУ к изменению входного тока. (Rвх ~ 104 ... 109 Ом);
-
частота единичного усиления f1, определяющая полосу пропускания ИУ, когда коэффициент Ku = 1, т.е. усиление составляет 0 дБ. (f1 достигает значения ~ 105 ... 108 Гц);
-
выходное сопротивление Rвых (для схем с внутренней коррекцией не приводится).
В настоящее время промышленно выпускаются усилители самого разного назначения. Все их условно можно разделить на четыре группы. К первой относятся усилители общего применения, используемые в бытовой аппаратуре, звукозаписывающих устройствах и др. Вторую группу составляют прецизионные усилители (Uсм < 0,1 мВ; Ku > 106). Их обычно включают в измерительные цепи датчиков. Быстродействующие (Vu > 100 В/мкс), применяемые в видеоустройствах входят в третью группу. Наконец к четвертой относятся усилители с особыми режимами мощности. Различают: микромощные, с током потребления менее 10 мкА и мощные, с током, передаваемым в нагрузку до 1А. Первые, как правило, используются в бортовых приборах, вторые в усилителях мощности.
При расчете схем на ИУ применяют модель идеального ОУ. Для него характерны следующие свойства:
Ku = ¥, спад Ku на высоких частотах с ростом частоты не круче 20 дБ (рис. 2.37а), Rвх = ¥; и Rвых = 0.
На практике эти условия, естественно, недостижимы. Тем не менее, что для большинства режимов работы указанные допущения выполняются с приемлемой точностью, во всяком случае, погрешности, вносимые ИУ по крайней мере на два порядка ниже погрешностей ЧЭ и измерительной схемы [ ].
На рис. 2.37б представлена схема подключения обратной связи к ОУ. Для получения заданных параметров усилителя необходимо обеспечить требуемый Ku и сформировать соответствующую коррекцию амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Эти требования определяются параметрами обратной связи ОУ. При использовании отрицательной обратной связи на вход ОУ поступает напряжение Uвх* равное:
Uвх* = Uвх - bUвых,
причем Uвых = Ku Uвх* = Ku (Uвх - b Uвых),
здесь b - коэффициент передачи напряжения усилителя с цепью обратной связи.
Тогда коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью будет равен:
При Ku >> 1 (глубокая обратная связь) получим Ku ос » 1/b, т.е. коэффициент усиления ОУ определяется только свойствами цепи обратной связи и не зависит от свойств самого усилителя. Достаточная глубина обратной связи ОУ достигается его высоким собственным коэффициентом усиления Ku.
В любом ОУ с ростом частоты амплитуда выходного напряжения уменьшается и отстает по фазе от входного сигнала. Следовательно, коэффициент усиления частотно зависим. Это определяется емкостными свойствами последующих каскадов и нагрузки. АЧХ и фазо-частотные характеристики усилителя подобны характеристикам датчиков 1 порядка:
Напомним, что на этой частоте коэффициент передачи уменьшается на 3 дБ, т.е. становится равным 0,707 своего низкочастотного значения, а отставание по фазе составляет 45о (рис. 2.38).
АЧХ трехкаскадного ОУ имеет три излома на разных частотах спада (рис. 2.37а). После первого на низшей частоте среза fc АЧХ спадает на 20 дБ/дек, после второго - на 40 дБ/дек, после третьего излома АЧХ имеет наклон 60 дБ/дек. Соответственно и фаза выходного сигнала после первого каскада отстает от фазы входного на 900, после второго на 1800, после третьего на 270о. Условием устойчивости ОУ с отрицательной обратной связью является отставание по фазе не более, чем на 1200. Поскольку АЧХ имеет три излома, то для обеспечения устойчивости работы ОУ требуется два корректирующих RC-звена. В современных ОУ используется внутренняя частотная коррекция, а также внутренняя защита от перегрузок по выходу.
Чаще всего в качестве ИУ используются прецизионные ОУ. Наиболее распространены три схемы ИУ: простая дифференциальная, дифференциальная с буферными каскадами и прецизионная.
Самой известной схемой ИУ является простая дифференциальная схема (рис. 2.39). Она является базовой для мостовых измерительных схем. Для обеспечения одинакового усиления по прямому и инверсному входам схема содержит делитель напряжения R3, R4 на входе (+), выбираемый из условия R1/R2 = R3/R4 . Коэффициент усиления равен:
Здесь Ku - коэффициент усиления без ОС (Ku ® ¥).
Функция преобразования в этом случае апроксимируется зависимостью вида:
Uвых = (Uвх2 -Uвх1) R2/R1
Важнейшим свойством дифференциальной схемы является значительно уменьшения уровня наводок, действующих на все плечи моста. Эти наводки получили название синфазных помех.. Степень ослабления такого сигнала определяется коэффициентом Kос сф. В качестве примера рассмотрим усилитель среднего класса К140 УД7 в дифференциальном включении. Пусть величина сетевой наводки U* равна уровню полезного сигнала, U = U* = 10 мВ. Определим величину выходного напряжения от измеряемого сигнала Uвых и помехи Uвых сф. Получим, при Ku ос = 10 (например, при R1 = 1 кОм, R2 = 10 кОм) и паспортном значении Kос сф = 80 дБ (10000): Uвых = UR2/R1 = 100 мВ, Uвых сф = U*R2/R1Kос сф = 10 мкВ. Таким образом, выходной сигнал от помехи ослаблен в 1000 раз.
Недостатком простой дифференциальной схемы является низкое входное сопротивление:
Rвх диф = R1+R3 ,
Rвх сф = (R1+R2)÷÷ (R3+R4)
Для получения высокого входного напряжения, а также увеличения коэффициента усиления используется схема усилителя с буферными каскадами. Данная схема (рис. 2.40) представляет собой двухкаскадный ИУ. Высокое Rвх диф обеспечивается использованием одноименных (+) входов усилителей. При этом, входное сопротивление не зависит от коэффициента усиления. Первый каскад усиливает дифференциальный сигнал в (R1+R2+R3)/R1 раз, при единичном усилении синфазной составляющей. Второй каскад усиливает сигнал в R5/R4 раз.
Суммарный . Обычно, он задается одним резистором R1. Величина Ku ос достигает значений до l0000. Для обеспечения максимального Kос сф выбирают R4 R7 = R5 R6 (в расчетах полагают R2 = R3, R4 = R6, R5 = R7).
В качестве примера выберем все резисторы, кроме одного равных номиналов: Ri = 25 кОм (где i = 2, 3, ... 7), R1 = kRi = 50 Ом. Тогда k = 1/500. Напряжение Uвых будет равно:
Если резистор R1 отсутствует (k = ¥), Ku ос = 1.