Дьюб Динеш С. Электроника - схемы и анализ (2008) (1095413), страница 65
Текст из файла (страница 65)
Под гистерезисом понимается свойство схемы реагировать на увеличение входного напряжения иначе, чем на уменьшение. Это станет ясно, если объединить две реакции схемы, изображенные на рис. 14.7 в одном графике. Такой полный график передаточной характеристики приведен на рис. 14.8. Когда входной сигнал превышает Ъууп выходное напряжение переключается от +Ъза~ к — Ъзаь А обратное переключение в первоначальное состояние произойдет, когда входное напряжение между Ъпе и Ъы называется напряжением ги- Рис. 14.8.
График зависимо- сти о, от о; демонстрирует ги- стерезис станет ниже Ъы. Разность стерезиса 15„равное Ъь = Ъне — Ъы = [+Ъ;и — ( — Ъ;ае)) . (14.3) В1 (Л1+ Вз) 14.2. Усилители Существуют три конфигурации усилителей на ОУ: — неинвертирующий усилитель; — инвертирующий усилитель; — дифференциальный усилитель.
Все эти три усилителя можно реализовать на ОУ, включенных без обратной связи, как показано на рис. 14.9. В неинвертирующем усилителе входной сигнал прикладывается к неинвертирующему входу, а инвертирующий вход звэемляется (рис. 14.9, а). В инвертирующем усилителе неинвертирующий вход заземляется, а входной сигнал прикладывается Дебстпвие положигпельноб обратпноб связы Как было сказано вьппе, резистор Вз (рис. 14.6) обеспечивает положительную обратную связь.
Положительная обратная связь регенеративна, т. е. как только выходное напряжение начнет изменяться, положительная ОС увеличивает разностное напряжение ов и еще больше изменяет выходное напряжение. Как только изменение состояния инициировано входным сигналом о;, положительная ОС форсирует переход компаратора из одного состояния в другое.
Положительная ОС также увеличивает скорость этих переходов. ой. г.. ° ° яви) к инвертирующему входу (рис. 14.9, б). В дифференциальном усилителе (рис. 14.9, б), входные сигналы с1 и ез прикладываются к неинвертирующему и инвертирующему входам, а их разность 1сз — е1) усиливается. Запомните, что напряжения с1 и ез измеряются по отношению к земле. Выходное (усиленное) напряжение каждого из этих усилителей можно получить из основного уравнения ОУ (13.28), которое для удобства воспроизведено ниже: (14.4) ео = 4еи = А(е1 — сз), где А — коэффициент усиления операционного усилителя по напряжению без обратной связи, еы — дифференциальное входное напряжение (разность между о1 и ез), о1 — малое напряжение сигнала на неинвертирующем входе по отношению к земле, тз — малое напряжение сигнала на инвертирующем входе по отношению к земле.
Следовательно, для неинвертирующего усилителя (14.5) оо — Ас1 (потому что ез = О). ео ~М "ле б) а) +рос во=дои=лбе — ея) в) Рис. 14.9. Конфигурации усилителей на ОУ без обратной связи: неинвертнрующий усилитель 1а); инвертирующий усилитель (б); дифференциальный усилитель (я) ~~~~~0 Глава Ц. Применение операционных усилителей Неинвертирующий усилитель выдает на выходе напряжение, синфазное с входным напряжением и1.
Для инвертирующего усилителя (14.6) ио — — — Аез (потому что и1 = О). То есть, инвертирующий усилитель выдает усиленный входной сигнал, отличающийся по фазе от входного на 180',на что указь|вает знак минус в уравнении (14.6). Дифференциальный усилитель усиливает разность двух входных напряжений, т. е. ха = А(01 — ио) = Аеа, (14.7) 14.3. Неинвертирующий усилитель с обратной связью На рис.
14.10 показана схема усилителя с последовательной обратной связью по напряжению. Резисторы В1 и Вр образуют цепь обратной связи. Напряжение обратной связи оЛ пропорциональное выходному напряжению и„подключено к инвертирующему входу ОУ. Подлежащий усилению сигнал се приложен к выводу неинвертирующего входа. Основное уравнение операционного уси- лителЯ вЂ” УРавнение (14.4) ио = А(и1 — из) и, как показано на рис. 14.10, имеем (14.8) и1 — ие. Рис. 14.10. Неиивертирующий усилитель с обратной связью Полагая, что входной импеданс В; операционного усилитеая очень высок, т. е. В; » В1 а знак выходного напряжения зависит от того, на каком входе величина напряжения больше.
Например, если из > 01, выходное напряжение будет отрицательным. Так как коэффициент усиления А очень большой ( 10б), небольшое отрицательное или положительное напряжение на входе вводит выход в насьпцение. Таким образом, синусоидальный входной сигнал даже амплитудой в доли милливольта вызовет сильно искаженное (ограниченное сверху и снизу) выходное напряжение, переключающееся между +Ъ;ае и — Р;аь Далее, полоса пРопУсканиЯ без обРатной свЯзи очень УзкаЯ ( 10 Гц у ОУ 741), а коэффициент усиления по напряжению чувствителен к температуре и изменениям напряжения питания. По этим причинам конфигурации усилителей на ОУ без обратной связи в линейных схемах, например усилителях, почти никогда не применяются.
Ц.б. Н б 99~ 9 бб б 39~) применим закон Кирхгоффа к цепи обратной связи и получим В1 Сз = 991 = ''оо. (14.9) (В1+ Вг) ) Подставив е1 и сэ из уравнений (14.8) и (14.9) в уравнение (14.4), получим В1 (В1+Вн) ' После преобразований 999 со — — А (В1 + Вл) (В, + В + АВ,) А(В1 + Вг) (В, +Вн+АВ,)' (14.10) Но, по определению, (14.12) Аг= 1+ (14.13) Уравнение (14.13) представляет очень полезное соотношение для неинвертирующего усилителя. Хотя оно и получено для идеального случая, но оно позволяет рассчитать усилитель с требуемым коэффициентом усиления простым выбором сопротивлений резисторов схемь1 В1 и Вг (рис.
14.10). Например, чтобы получить коэффициент усиления равный 10, В1 и Вг можно выбрать соответственно как 20 к и 180 к. Уравнение (14.13) широко применяется при расчетах усилителей, и в большинстве случаев, приводит к результату с приемлемой точностью. Интересно, что уравнения коэффициента усиления (14.12) и (14.13) могут быть записаны в стандартной форме, применяемой для усилите- Ан = —. (14.11) Юб Комбинируя уравнения (14.10) и (14.11), получим А(В1 + Вбб) Аг= (точное значение). (В1 + Вн + АВ1) Это — точная формула коэффициента усиления неинвертирующего усилителя с обратной связью. Так как коэффициент усиления без ОС А очень велик (> 10о), то АВ1 » (В1+ Вг). Тогда член (В1 + Вн) в знаменателе уравнения (14.12) можно отбросить из-за малости по отношению к АВ1.
Уравнение коэффициента усиления (14.12) примет вид: А (В1 + Во) АВ1 ( 392 Глава Ц. Применение операционных усилителей В = — '~. ио И, применив уравнение (14.9), получим В= — ~= (14.14) ио ( 1+ Р) Объединяя уравнения (14.14) и (13.13), запишем Ар = 1/В. (14.15) Вспомним из предыдущих обсуждений усилителей с ОС (раздел 7.3), что уравнение (14.15) представляет идеальный усилитель с очень высо- кой стабильностью коэффициента усиления. Коэффициент усиления Ар полностью не зависит от изменений коэффициента усиления без ОС А.
Далее, уравнение коэффициента усиления (уравнение (14.12)) через В можно преобразовать следующим образом: Ар = А (1+ АВ) ' (14.16) где Ар — коэффициент усиления с ОС; А — коэффициент усиления без ОС;  — коэффициент передачи цепи обратной связи и А — коэффи- циент петлевого усиления. Уравнение (14.16) — стандартное уравнение усилителя с ОС. Оно означает, что неинвертирующий усилитель с обратной связью имеет все достоинства, которые обеспечиваются обратной связью.
Этот усилитель представляет собой отличный усилитель напряжения. Таким образом, параметры усилителя с замкнутой обратной связью применимы к усилителю, изображенному на рис. 14.10, а именно: 1) повышенное входное сопротивление (импеданс) Влр — В,(1 + АВ), 2) пониженное выходное сопротивление (импеданс) (1 -Ь АВ) ' 3) расширенная полоса пропускания ур = уо(1+ АВ); 4) пониженное напряжение смещения ~ т — + оо (1 .. 4В)' (14.20) В усилителе с ОС коэффициент усиления падает в (1 + АВ) рээ, во столько же раз уменьшается общее напряжение смещения У„от (уравнение (14.17) (14.19) лей с обратной связью. Коэффициент передачи цепи обратной связи В (рис.
14.10) по определению равен (14.20)). Некоторые из результатов, выраженные уравнениями (14.16)— (14.20), были получены и более детально проанализированы в гл. 7. Повгпоригпеяь напряжения Неинвертирующий усилитель, разработанный для единичного усиления, называется повторителем напряжения, потому что выходное напряжение равно входному по величине и совпадает по фазе. Повторитель напряжения на ОУ превосходит эмиттерный повторитель, потому что имеет более высокий входной импеданс, а выходное напряжение точно равно входному. Схему повторителя напряжения можно получить из схемы неинвертирующего усилителя на рис. 14.10, разорвав резистор В1 (В~ = оо) и закоротив Вр (ЛР = О), так что АР = (1+ ВР/В~) = 1.
Повторитель напряжения представлен на рис. 14.11. Рис. 14.11. Повторитель напряжения ла( лй Так как все выходное напряжение подается обратно на инвертирующий вход ОУ, коэффициент усиления схемы с обратной связью равен 1. 500 О 400 мв Рис. 14.12. Пример 14.2. Рассчитайте номиналы схемы, показанной на рис. 14.12, чтобы коэффициент усиления по напряжению с ОС был Ая = 100. Также определите ~~~394 Глава Ц.
Применение операционных уеилитаелеб выходное напряжение о, при подаче на вход напряжения 400 мВ с источника сигнала с внутренним сопротивлением В, = 500 Ом. Напряжение питании ОУ ш15 В. Решение. Сначала выберем сопрогнвление резистора В1. Пусть В1 = 5 кОм. Тогда Вр Ар = 1+ —. В1 Для того, чтобы Ар = 100 Вр(В1 — — 99, Вр = 99В1 — — 99 х 5 ком иля Вр = 495 ком. Выходное напряжение о, = Ар от = 100 х 400 мВ = 40 В. Выходное напряжение не может превысить напряжение питания Усс = 15 В.
Следовательно, выходное напряжение будет Так как В, включен последовательно с очень большим внутренним импедавсом ОУ Ят, то В, не оказывает никакого влияния на выходное напряжение В,. 14.4. Инвертирующий усилитель с обратной связью Довольно часто операционные усилители работают в ннвертирующем режиме (рис. 14.13, а). В схеме применена параллельная обратная связь по напряжению. Неинвертирующий вход заземлен.
Источник входного сигнала о,, внутреннее сопротивление которого пока будем считать пренебрежимо малым, подключен к инвертирующему входу. Резистор Вр образует цепь обратной связи. Инвертирующий усилитель с обратной связью более удобно можно представить как на рис. 14.13, который идентичен схеме на рис. 14.13, а. Теперь можно начинать расчет коэффициента усиления с обратной связью и импедансных параметров этого усилителя. Коэффициента усиления по напряжению Коэффициент усиления по напряжению Ар усилителя с параллельной обратной связью по напряжению (рис.
14.13, б) можно получить суммированием токов на входном узле из: 1; =ту+1В. (14.21) Так как входной импеданс усилителя очень велик ( 2 МОм), входной ток смещения тв пренебрежимо мал. Следовательно, (14.22) 11 -гу Од.л у ую ~УР Ь У 39$) (Е1 Е2) (С2 'оо) В1 Вр Коэффициент усиления по напряжению без ОС А оо ео А= или (е1 — с2) = —. (о1 + Е2) А' так как е1 = О В (этот вход заземлен), имеем ео Ю2 = — —.
А Подставив и2 в уравнение (14.23), получим (14.23) (14. 24) ( А)l (( А) ')/ н1 яя ВЕ ее а) Рис. 14.13. Инвертирующий усилитель с обратной связью (а). Инвертирующий усилитель с обратной связью (перерисован) (б) или Преобразовав это уравнение, можно получить коэффициент усиления по напряжению с обратной связью Ар. ио — АЯр Ар = — = (точное значение). (14.25) и; (Я1+ Яр+ АЛ1) Знак минус в уравнении (14.25) указывает, что на выходе усилителя фаза переворачивается, что означает, что выходной сигнал отличается по фазе от входного на 180' (или имеет обратную полярность в случае постоянных напряжений).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
