Импульсные устройства на операционных усилителях (775185), страница 3
Текст из файла (страница 3)
,г .Однако в отличие от устройств на повторителях в схеме отражателя тока отсутствует необходимость в допопннтелызом источнике питания ания (Г/' ) поскольку один и тот же источник может формировать входной ток через резистор и создавать смешение на базе транзисторов. Это позволяет увеличить напряжение источника, расширяя тем самым диапазон допустимых напряжений на коллекторах выходных транзисторов н уменьшая влияние входного напряженияЕ~~х, Пругим важным достоинством отражателей тока является воэможность создания сразу нескольких источников тока прн единственной токозадаюшей цепи, Гйава 3. УСТРОЙСТВА ИНТЕГРИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ Устройства интегрирования аналоговых сигналов (называемые также интеграторами) в идеальном случае формируют на выходе прирашенне выходного сигнала (например, ЫДа~х ), пропорциональное интегралу входного сигнала (например, ЫД~ )е г7~„„® = — ~ г~~„('и,Я ~ а Коэффициент пропорциональности 'Е, имеюший размерность времени, называется постоянной времени интегратора.
Переходная характеристика идеального интегратора показана на рис. 3„1, Прн 6~ О ЛЩ = О, поэтому выходное напряжение не изменяется (прирашениеХХ~~,,„. = 0), Прн ~~~Р Ыб' =сагв,н прирашениеЯЩ~х нарастает по линейному закону Е ~/2 достигая в моментх" и 2 значения Ец,,х. Функцию интегрирования реализуют обычно с помошью конденсатора, поскольку прирашения напрюкения КС. на конденсаторе и ток б протекаюший через этот конденсатор связаны сос э г7„~й) = —,) г', й)1 ~, а где с - емкость конденсатора.
а Рис. 3.1 Рис. 3.2 Прн этом, чтобы построить интегратор, необходимо решить две схемотехнические задачи: сформяровать выходной сигнал, пропорциональный (или равный) напряжению на конденсаторе, н ток через конденсатор, пропорциональный входному ситналу. В интеграторе по схеме на рис. 3.2 первая задача решается с помошью включения повторителя на ОУ, вторая - формярователя тока, нагрузкой которого служит конденсатор, Однако ввиду сложности эта схема практически не применяется. Иногда ее используют в генераторах линейно изменяюшегося(пилообразного) напряжения, в которых значение тока через конденсатор должно быть постоянным на интервале формярования линейного участка колебаний.
Более распространены интеграторы компенсационного типа, в которых погрешность простейшейльС-цепи (рис. З.З,а), обусловленную зависимостью зарядного тока г . от напрюкения на конденсаторе ЫС, устраняют введением источника компенснруюшей ЭПС м' . Различают схемы с параллельным(рис,З.Ззб) и с последовательным (рис, З,З,в) вкпзочением источника У~,к. й 8~) ~~ ц(„( У ) У Рис.
3, 3 В схемах первого типа зарядный ток определяется соот- ношением /'~ бс У.УИ !й ~К !КК И. ~ а,~ / Рис. 3.6 Рнс. 3.4 16 17 из которого вядно, что идеальная компенсация достигается при ы =и ~'~- ~к(к), (3.1) Формирователем компенсируюшей Э)1С может служить усилитель с коэффициентом усиленияУб~~ = 1 зад/д, Реализация усилителя по схеме рис. 1.4,б, гдеФ~э Ыс, аЯх = О, приводит к схеме интегратора, показанной на рнс. 3.4,а. Устройст ва такого типа называют интеграторами с параллелыюй положительной обратной связью (ПОС). Из (3.1) н (1.3) следует,. что условием правильной работы интегратора является равенство Яд ~~ = Я~у~~~ (3.2) Если выходным напряжением интегратора считать И, то постоянная времени интегратора г-=~и'/К„= ббУ('у' 4'.,~,Е ).
На практике нз-за нестабильности сопротввленийлд,Ю,Я~, А2 условие (3,2) можно выполнить лишь приближенно, что приводит к погрешности интегрирования н является основным недостатком компенсационных интеграторов с параллельной ПОС. В схемах второго типа (рнс. З,З,в) зарядный ток определяется соотношением Х =(иб„г~, -г~, )/~. из которого видно, что идеальная компенсация достигается прн Ижэйк . Используя в качестве формирователя компенсируюшей ЭПС повторитель, получаем устройство (см.рнс.
3.4,б), извэсчное как интегратор с последовательной ПОС. Его недостатком является отсутствие соединения полюсов источника входного иапряжения Щх с обшей шиной, что создает определенные неудобства. Пругой способ реализации формирователя компенсируюшей ЭПС в схеме (рис. З.З,в) состоит в использовании усилителя с большим коэффициентом усиления, на вход которого подают ситнал рассогласованияЗ~эМж ~с, а конденсаторС вклк чают между выходом и инвертируюшим входом усилителя, реализуя емкостную ООС. Наибольшая точность достигается при использовании ОУ (рис.
3.6,а), При этом в режиме малой скорости изменения выходного напряжения (хя, „~~У,.' ) входной дифференциальный ситнал рассогласованйя Уй' ~у, В этом случае емкостный ток2г=йэ~х~Ж, а выходное напряжение й в-й =-(Щ~'~и~„~МА*. л Интеграторы с емкостной ООС, называемые интеграторами Миллера, получили наибольшее распространение, поскольку в них отсутствуют отмеченные недостатки устройств с ПОС. Инерционность ОУ приводит к появлению допашительной погрешности интеграторов компенсационного типа. В обшем случае эта погрешность может быть уменьшена (или полностью скомпенсирована) включением последовательно с конденсатором дополнительного корректируюшего резистора, показанного на рис.
3.5 штриховой линией. Методику анализа динамической погрешности рассмотрим на примере интегратора с ООС. Поскольку инерционность интегратора описывается скоростной характеристикой ОУ, то для оценки динамической погрешности можно воспользоваться операторным уравнением ,ь~С С ~у~~~йэ-Ят~~~„, (Й=~ИЯ~~д~ ~~~ь.
Я, Фдб ' Решая уравнение, найдем ~~~~4--~ .-,)р.-;,. б' ~'~~. Р ж~= ЯС" 8 -,фХС" Г~-~. Рассмотрим переходную характеристику, полагая хая (В) = Р~. еэ/ . Тогда после перехода к оригиналу получим График переходной характеристики - Я~у,„фпоказзн на рис. З.1 штриховой линией.
Как видно из графика, погрешность иитегрировзния проявляется главным образом в возникновении дополнительной задержки, равной2уж~ . Кроме этого, инерционность ОУ приводит к увеличению постоянной времени интегратора из 2-; . Предположим теперь, что для компенсации задержки последовательно с конденсатором включают дополнительный корректирующий резистор Ях;~о, С учетом этого резистора изображение для приращения выходного напряжения определится по формуле 7+,б с lх жп,о ~'"® 7, ЦаС т„)П+рСЫ К ~)ТТйас+Тг'71 Идеальная коррекция достигается при~Ржро =~т/С .
В этом случае Уф~~ „Д~) =-Грет/Ь 7Ы~ 2>-) и, следовательно, Ф Ый,„й1=-~ г ~/Я~"+~т.)- Глава 4. СХЕМОТЕХНИКА ОПЕРАПИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ К настоящему времени сложилась типовая схемотехническая структура ОУ, иллюстрируемая схемой на рис. 4.1, Эта типовая структура сложилась не сразу. В отличие от нее, ОУ первых поколений строили соединяя несколько дифференциальных каскадов, При этом ие удавалось получить широкий диапазон выходных напряжений, а для того чтобы обеспечить устойчивость работы ОУ с внешней ООС, приходилось использовать сложные цепи коррекции частотно-фазовых характеристик. Коэффициент усиления был сравнительно невелик (порядка 10 ),так как увеличение коэффициента усиления путем увеличения количества усилительных кзскадов наталкивалось иа необходимость коррекции дополнительных фазовых сдвигов, что существенно сужало полосу пропускаемых усилителем частот.
В результате поисков решения проблемы были сформулированы основные принципы схемотехники ОУ, которые сводятся к следующему. 1. Основное усиление по напряжению должно быть сосредоточено в одном инвертируюшем касквде (нв рис. ~.1 - транзистор )~ТТ ), охваченном емкостной ООС по схеме интеграторе Миллера. Большой статический коэффициент усиления квскада обеспечивается благодаря использованию в качестве коллекторной нагрузки источника тока -~~ с большим внутренним сопротивлениемем, 18 Аир<рещнцоеениа инте~ю~7~ дэ4аЬэд ажюу ФФФФФ/ Рис. 4.1 2.
Первый каскад ОУ должен выполняться по схеме дифференциального каскада с однофазным выходом с тем, чтобы его выходной ток.Тфэд,, будучи вхошпям током интегратора, обеспечивал перезаряд интегрирукхйего конденсатора. Такое схемотехническое решение позволило наиболее просто решить задачу согласования каскадов при сохранении практически идеальной симметрии режима работы плеч дифференциального каскада, Это достигается тем, что погрешность работы отражателя тока, обусловленная базовыми токами транзисторов Ю Ф и )~? Х, естественным образом компенсируется входным током усилителя в интеграторе Миллера, Лля полной компенсеции необходима идентичность параметров транзисторов я'ТУ, (/ТХ, (IТ7 и ревенство токов Х~ и .7я, поскольку тогда суммарный ток бзз транзисторов )/79 и (77б' будет в точности совпадать с током базы транзистора Р'Т7 . Для увеличения статического коэффициента усиления ОУ в базовую цепь инвертируюшего транзистора включают эмигтерный повторитель, кзк показано на рис.
4.1. При этом входной ток усилителя интегратора уменьшается в (1+79 ) раз. Для сохренения симметрии в отражатель тока также включеют эмиттерный повторитель, причем обеспечивают взаимную соглзсованность параметров транзисторов в указанных повторителях. З. Величина емкости интегратора должна быть такой, чтобы дополнительные фазовые сдвиги, возникающие из-аа инерционности усилительных каскадов, на частоте единичного усиления,Тт о были меньше 180 .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
