Войшвилло Г.В. Усилительные устройства (2-е издание, 1983) (1095412), страница 50
Текст из файла (страница 50)
В радиоэлектронных устройствах магнитные усп.штелп применяются в стабилизаторах напрягкення (постоянного н переменного), в термисторах для управления раоотой подогревателей, для приведения в действие реверсивных электродвигателей, питаемых токами, сдвинутыми по фазе на 90*, предназначенных для вращения следящей системы, направленных антенн и пр. К достоинствам магнитных усилителей относятся высокая механическая проч- 252 ность и долговечность, однако эти усилители непригодны для усиления сигналов даже звуковой частоты.
В заключение следует отметить, что дифференциальные параметрические (реактивные) усилители (каскады) находят применение в качестве балансных модуляторов УПТ с преобразованием спектра частот сигнала. 9.4, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛА И ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ В.!.!. НРНОБРАЗОВАНПВ СИГНАЛА Под преобразованием аналогового сигнала понимается изменение его масштаба (уровня) в заданное число раз с высокой степенью точности, интегрирование, дифференцирование, логарнфмирование и т, п. Все эти операции выполняются, как правило с помощью операционного усилителя. Масштабный усилитель.
Масштабный усилитель представляет собой ОУ (рис. 9.(0) с весьма глубокой ОС, инвертирующий илн й(я аг а! Л Рас. 9.!О. Схечы инвертируюшего (а) и неинвертируюшего (б) опервиионных усилителей неинвертируюцгий напряжение сигнала. В первом случае (рис. 9.10,а) напряжение на неинвертирующем входе (/а!(р) =О, а на инвертирующем ()'! (Р) =Е, (р) — тх!!У! (р), где ! ! (р) =1()'! (р)— — (('е(р))()ты ((т(р) = — КА()' (р).
Из этих уравнений несложяо г пределпть коэффициент передачи К ! Рв и,(р) Е! (р) ((+(ГА)Р Р и входное сопротивление )т и!(Р) и! (т( ) (+АА Так как коэффициент КА очень велик (тысячи, десятки тысяч), то 1+!!А КА, а КАтх!))ттт и ие (Р) — Ре Е, (р) 253 т.
е. коэффициент передачи зависит не от свойств ОУ, а от атно. шення сопротивлений в цепи ОС. Во втором случае (рис. 9.10б) (/г(р) = — Кл((Уд(р) — Упд(р)]= =- Кл(де дПг (р)/ Я1+ йг) — Ед (р) 1, откуда следует, что (да (р) КА 1+ ~а Ед (р) 1+ Кл (сд((на+ на) а при Яг»Я, (и М~ Ь; Е, (р) Рд (9.1) Частным видом масштабного усилитеннонного повторнтелн Е ~хенн о"'Рв ля является операционньдй повторитель напряжения (рис. 9.11), получаемый при отключении Кд,(/с;=оо) или закорачнвании /ддг(Юг=О) (эти сопротивления можно исключить вообще, соединив выход с инвертирующнм входом).
Очевидно, что при Кд/Я,+Вг) =1 ж 1. и(р) К„ Е,(р) !+Кл Входное сопротивление неинвертирующего усилителя и особенно операционного повторителя за счет очень глубокой последовательной ОС исключительно велико. Интегрирующие усилители. Напряжение на выходе интегрирующего усилителя должно быть пропорциональным интегралу от ЭДС входного сигнала, т. е. иа й) = А ) ед (() д((, о где А — коэффициент пропорциональности с размерностью, обратной времени. При ступенчатой ЗДС е,(() =Е, 1(() выходное напряжение изменяется пропорционально времени иаф =Вг, где В = сопя(. При статических элементах Кд и С операцию интегрирования удается выполнить приближенно, поскольку нормированная переходная характеристика КдС-цепи вида, показанной на рис.
2.6,а, выражается (при замене в (2.56) ид на е, и т, на т) следующим обРазом: (д'(() = иг (()./КеЕ~ = 1 — е ддт. ПРи большой постоЯнной времени а=С/т (точнее при //т((1) . д да да й'(1) =1 (1 — + — — +...) =— т 2! та 3! та ) т и закон (9.2) приближенно соблюдается. Для получения большой постоянной времени требуется высокоомный резистор, при котором повышается шум, и конденсатор со значительной емкостью, 254 неудобный в конструктивном отношении. Кроме того, при боль- шой т заметно снижается уровень сигнала (точнсе его составля- ющие сравнительно высоких частот).
Поэтому предпочтение от- дают интегрирующему ОУ (рис. 9.12). Рпс. 9.12. Схемы инвертирующего (а) и неннвертирующего (б) интегрирующих операционных усилителей В инвертирующей схеме (рис. 9.12,а) ()", (Р) =О, поэтому ()а(Р)=Кл()' (Р), ()' (Р)=Ег(Р) — КА(Р), ) (Р) = [()'ю(Р)— — ()т(Р)1РСа. Действуя так же, как и при исследовании масштабного усилителя, получаем (га(р) К„ (9.3) Е,(р) (+рС,((+К,) Р, ' 1 ( Р ) ( ( + (9.4) Выражения (9.3) и (9.4) показывают, что при включении конденсатора С, между инвертирующим входом и выходом ОУ его уб(й— бгйо Е гб(5— ГУ М1 Е г и Ю Б 255 Рис, МИ.
Амплитудно-частотные характеристики ин. вертнрующего (а) н неиивертирующего (б) интегрирующих операционных усилвтелей емкость умножается в (! +Кл) раз, что и требовалось. ЛЧХ такого усилителя (рис. 9.13,а) имеет излом на частоте полюса )р = 1/2гсСт (1+ Кл) )тг. У неннвертирующего ОУ (рис. 9.12,6) Ит(Р)= ' ', ()чт(Р)=Ет(Р), ()е(Р)=Кл(()'т(Р) — ()мт(Р)) откуда следует, что и,(Р) КА К„(1+ РСР,) (9.5) Е,(Р) 1+КАРС«йт/(1+РС»йт) 1+РС,(1+КА) Рт Передаточная функция (9.5) содержит нуль и полюс с частотами /,=1/2щСЯь /„=1/2пС»(1+К«)/(ь за счет которых ЛЧХ имеет два излома (рис. 9.!З,б); эффект умножения емкости С, на 1+КА свойствен и последнему виду интегрирующего усилителя Дифференцирующие усилители.
Дифференциал ступенчатой функции представляет собой импульс бесконечно малой длительности и бесконечно большой высоты. Приближением к такой функции является экспонента. Действительно, при определении спада [см. формулу (2.61) 1 было показано, что у цепи по рнс. 2.12,а (при замене и, на е, и т~ на т) л (() = иа (()/К„Е, = е (9.6) где в простейшем случае при Р,=-О, /ст=-Я и С1=С т=С/т'. Экспонента, описываемая выражением (9.6), становится «острее» при уменьшении постоянной времени т.
Но при небольших значениях С и Я ослабляется передача составляющих сигнала с нижними частотами и начинают сказываться помехи, Лучшие результаты получаются, если вместе с дифференцированием создавать усиление сигнала, т. е. вместо пассивной дифференцнрующсй цепи использовать дифференцирующий усилитель. а1 Рис РИ. Схемы ннвертнрующето (а) и неинвертврующего (й) дифференцпрующих операционных усилителей Для инвертнрукпцего дифференцирующего ОУ (рнс. 9 14,о) справедливы уравнения: (/', (Р) =/с1(р) — А (р)/РСь А (Р) =- =((/',(Р) — (/т(р) )/Рт, (/т(Р) = — Кт(/'~ (Р), откуда (т (р) КА РСтттт Рв Е (р) 1+ КА + РСтмт "' 1+КА Передаточная функция имеет один нуль а,=0, /о =0 и полюс с частотой / = (!+КА)/2пСЯт, которая одновременно является частотой /„т-, если К.т велик, а т=СЯ~ мала, то частота /„ =/и оказывается довольно высокой, что типично для ЛЧХ дифференцирующего усилителя (рис.
9.!5,а). 25б р р? "е лг(а— и,(е) Е Рис. 9«б. Амплитудно-частотные характернстиаи иивертнрующего (а) н неинвертирующего (б) днфференцирую- щих операционных уснлнтелен У неинвертирующего усилителя (рис. 9.14,б) («рс,) и,(р) (,„( „, «рс +)? и уа (р) КА (1 + рС,)?а) Ет(р) 1+ КА + рстра Частоты нуля и полюса данной передаточной функции Е, = 1?2п С,Р„~„= (1+ КА)!РС,)с, определяют изломы ЛЧХ, изображенной на рис.
9.15,б. 9.4.2. пРеОБРАЗОВАние пОлного сопРОтиВления Гираторы. Этот своеобразный усилитель (четырехполюсник) изменяет характер реактивного сопротивления. Так, при подключении к его выходу емкости входное сопротивление оказывается индуктивного характера и наоборот, Таким образом удается как бы синтезировать катушку индуктивности, используя усилительный и ЯС-элементы. Это свойство гиратора является весьма важным, поскольку на частотах, меньших 100 МГц, индуктивность в виде катушки, витка и т. п.
не реализуется в микроэлектронных устройствах. Добротность синтезируемой с помощью гиратора индуктивности прп достаточно большом усилении может достигать 300 н более. Гнратор в качестве ипдуктнвности может быть применен в ьС)с-фильтрах и в других цепях. В интегральном исполнении гираторы позволяют получить индуктивность с высокой добротностью на частотах не выше 0,5 ...
1 МГц. Для аналитического установления свойств гиратора обратимся к системе уравнений у-параметров: 1х — — )' тх(ух+ ) та(та ~д = )тп(та+ )'аа(тэ к которым добавим уравнение, связывающее выходные напряжения, ток и проводимость нагрузки У, (см. рис. 3.2): ()а= — 1а/Уа. Исключая в этих уравнениях ()а н 1а, находим входную проводимость четырехполюснпка: 25? Увх= Ум 1 ь21 м/(~ 22+! 2). (9.7) Особенностью гиратора является то, что при вещественных параметрах Ум(0, Ум- О. (9.8) Для преобразования с минимальными потерями следует миними- зировать параметры У!! и У22.
В идеальных условиях Ум=О и Ух!=О и тогда У„= — У 2У2!/У2, а на основании (9.8) получается Увк У!2( У211/1 2, Допустим теперь, что к выходу гиратора подключен конден- сатор с емкостью С,, то~да У,=)в!С2 и 1211211 1121121 — 122 Св откуда следует, что У„представляет собой проводимость индук- тивносги У,„=1/1 22/. Простейший гпратор можно реализовать на полевом транзис- торе (рис. 9.16).
Показанные на схеме гиратора токи и напряже- ния связаны между собой следующими уравнениями: /, =6,(и,— (/,)+5(/„ /,=6,((/,— (/,), где 62=1//72, откуда матрица рассматриваемого гиратора 6, — 6,+5 — 6, 6, Крутизна 5, как правило, во много раз больше проводимости 6,; пРинимаЯ вЂ” 62+5=5, видим, что У1,=6,, У„=5, Ум= — 6, и У!2=6,. При емкостной нагрузке, которая представляет наи- больший интерес, входная проводимость согласно (9.7) у 6 ййв 6 ййв (йв — 1 21 Св) — йв+122С2 йвв+(22С2) Для получения высокой добротности необходимо, чтобы ем- костная проводимость хотя бы в несколько раз превышала ак- тивную н тогда можно пренебречь 6', по сравнению с (аС2)2; прн этом 1 6+ З~'в + ййв 6 + 1 (22 Ск) ! в! Св * 1 21 / вх Из этого выражения несложно определить входную индуктивность н ее добротность: (9.9) Зйв й — — (9.! 0) 22 ~вхйвх й2 (1 + ~йв/кв С 2) 12 ~ вх Так как интерес представляет добротность при заданных частоте и индуктивности, то в (9.10) следует, используя (9.9), исключить 62.
258 3 га Са + !!от Ьвх (9.11) Из (9.11) становится ясным, что для увеличения добротности надлежит увеличить 5 (путем повышения коэффициента усиления) и,выбирать предельно минимальную емкость Са, напружающую гиратор. 7г ! ! ! ! ц ! ! т Рис. 9.76. Схема гнратора на полевом транансторе Рис.
ДРД Схема интегрального гнратора Например, при 5=0 0! См, 1=1 МГц, !',.=300 мкГн, Се=100 пФ из (9.9) и (9.11) находим; )тх — — 30 кОм н 9=8,65. А если 5 уве. личить в 20 раз, то добротность достигает 9=173. Отсюда видно, что высокая добротность может быть получена от более сложного усилителя, чем однокаскадный. Интересно, что такого порядка крутизной, т. е. проводимостью прямой передачи, обладает даже маломощный биполярный транзистор, работающий при токе 7к-— . =5...7 мА, но у него мало входное сопротивление, за счет чего параметр У„=Гтт увеличивается на входную проводимость 1/гт!!, транзистора, для устранения этого нежелательного явления там, где это возможно, входной каскад усилителя следует выполнять на полевом транзисторе. В заключение рассмотрям схему гиратора в интегральном исполнении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
