Гусев - Электроника (944138), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Некоторые из выпускаемых ОУ с подключенными цепями внешней коррекции и установки напряжения смещения нуля приведены в приложении. ГЛАВА 6 АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ а вл. масштлвныя усилитяпи Усилители, имеющие точное нормированное значение коэффициента усиления, называют м а с ш т а б н ы м и. Иногда в их составе выделяют измерительные и электрометр и ч е с к и е усилители. Йзжерительные усилители относятся к числу прецизионных. Значения их параметров нормированы и в диапазоне рабочих частот и температур не выходят за пределы, оговоренные в технических условиях.
Эти усилители применяют для масштабирования измерительных сигналов в системах получения и обработки информации. Элсктрометрические ~силители имеют высокое входное сопротивление (до !0 — 1О' Ом) и ничтожно малые входные токи. Их обычно применяют в устройствах, где требуется измерять электрические заряды или преобразовывать малые токи. Выделение масштабных усилителей в специальный класс устройств несколько условно и характеризует только то, что к значениям их основных параметров и их стабильности предъявляют повышенные требования. При их создании широко применяют ОУ.
включенныс по схеме рис. 5.29. Их количество и схемы соединения зависят ог требований, предъявляемых к конкретному усилителю. Так 392 !у т4х !Увг хч l «11 !'Виг р«гг у„ Рис. Ь ! Схемы усилителей ие ОУ: пппрп и 3!г ! ~~! К = — ' — ' (для рис. 6.1,а); К„=1 (для рис. 6.1,6); ! -р!е«С(яг й Аг) К„= — ' '- (для рис.
6.1,в). ! .«. пе«СЯ« Входные и выходные сопротивления усилителей (6. 1) (6.2) (6.3) Я,„„- К„„1+ К,„ '"Я, л,т' ~/ К,„„„Я,„„)~ 1+К„„— -' — (для рис. 6.1, а); Лг р~~г/ (6.4) й,„.,=Я,„,е; К,„„„хЯ,ы„г(1+К„„) (для рис. 6.1, б); (6.5) )ге! (лг' 3!«) 393 как свойства ОУ, охваченных цепями ОС, подробно рассмотрены в 9 5.6, в данном разделе будем считать ОУ идеализированным и пренебрегать его входным и выходным сопротивлениями (Я,„- сс, Я,,— «О).
Также учтем, что дифференциальное напряжение между входами стремится к нулю, что справедливо только при К„„-+оэ. Эти допущения не вносят существенных погрешностей, позволяют быстро и легко опрелелить параметры преобразования конкретного устройства, В случае прецизионных преобразователей, когда нельзя пренебрегать погрешностями, вносимыми вышеуказанными допущениями, анализ работы следует вести с учетом значений коэффициента усиления, входных и выходных сопротивлений. Подставив в (5.39) значения сопротивлений, получим Усилители (рис. 6.1, и) применяют или самостоятельно, или в составе сложных усилителей, когда требуется иметь повышенное входное сопротивление при значительном коэффициенте усиления по напряжению.
Повторители напряжения (рис. 6.1, б) обычно используют во входных устройствах, в которых требуется иметь высокое входное сопротивление, или в случаях, когда необходимо получить минимальное выходное сопротивление. Усилители, показанные на рис. 6.!,в, применяют для усиления переменных напряжений. У них введена 100;~ -ная ОС по постоянному току, что гарантирует малые изменения выходного сигнала на постоянном токе, равные дрейфу напряжения смещения нуля Г,„.
В то же время в полосе частот, в которой сопротивлением конденсатора С можно пренебречь, коэффициент усиления достаточно большой и его значение определяется только резисторами Я„Я . Эти усилители работают с синфазным входным сигналом, равным Г„„. Поэтому имеется дополнительная погрешность, определяемая коэффициентом ослабления синфазного сигнала К„, . Из-за уменьшения К„, при увеличении частоты она существенно болыпе в диайазоне повышенных частот.
Коэффициент усиления усилителя, у которого сигнал подан на инвертирующий вход, его входное и выхолное сопротивления находят из уравнений (5.48), (5.49), (5.41): ~/ Отсутствие синфазного входного сигнала и стабильные значения параметров делают эту схему предпочтительной для масштабирования напряжений.
При этом следует учитывать, что последовательное включение более чем двух ОУ может привести к потере устойчивости. Это обусловлено тем, что выходные сопротивления ОУ не равны нулю и повышаются при увеличении частоты. Также увеличивается и дифференциальный входной сигнал на входе каждого ОУ из-за уменьшения К„„. Поэтому могут создаться условия„когда выходной си| нал третьего ОУ, попадая через резисторы цепей ОС на вход первого, вызовет самовозбуждение усилителя. Когда используется много ОУ, включенных последовательно по схеме рис. 6.2, а, целесообразно между каждой парой устанавливать ОУ, выполненные по схеме рис.
6.1,а, б. На основе схемы рис. 6.2, и можно выполнить суммирующее устройство рис. 6.2, б. В нем отсутствует взаимное влияние входных сш палов. Это происходит вследствие того, что инвертирующий вход имеет практически нулевой потенциал. Выходное напряжение такого ОУ 16.8) 394 си Рис. 6.2. Схемы усилителей нй ОУ: и ианеркирукощссо евонной си н, й суммасар неир мсний, с авсиисаюмсс ус роймва В рассмотренных схемах в цепи одного из входов обычно устанавливается сопротивление Я,. Оно не влияет на коэффициент усиления и вводится, когла это необходимо для уменьшения изменений выходного напряжения.
вызванных временными или температурными колебаниями входных токов, Сопротивление Я, выбирают таким, чтобы эквивалентные сопротивления, подключенные к входам ОУ, были одинаковы. Если токи входов равны и изменяются на одинаковую величину, то создаваемые ими падения напряжения не создадут дифференциального сигнала и не вызовут дополнительного смещения нуля.
В схемах рис. 6.1, и — н значения резисторов выбирают соответственно из условий: Я, = Я, !! Я,: Я, = Я„' ! ! ! ! ! Я,=Я,. ДЛя СХЕМ рИС. 6.2,а,б Яа=Я, !~Я2; — = — + — + — + 2 2 3 При одновременной подаче напряжения на оба входа получается вычитающий усилитель. Так как он линейный элемент, то при определении его параметров справедлив принцип наложения и для каждого входного сигнала справедливы уравнения (6.1), (6.7) для схем рис. 6.1,а и 6.2,еп При выполнении условия !'2 Яа ел! ~~4 Лк Лс Яу-й Не (6.9) (6.10) которое после преобразования примет вид Я Яз=Я,Я, усилитель становится дифференциальным и усиливает разность напряжений, приложенных к входам: 22 „— (к вку !в*2)' (6.! 1) При этом на его входах будет синфазный сигнал, равный су, = = Е2.,2Я42(Я2+Яа).
Он создает погрешпосгь преобразования Л 12',м„: 395 17Д 7 '-'171вых='~ се(Яз+Яг))(КсссеЯг) в5 пав,хг Прецизионные измерительйхг йгг РХ5 ные усилители часто выпол- [> няют дифференциальными. лБ При этом схему включения 777 выбирают такой, чтобы изме- с Цьи пения выходных сигналов плеч л5 л7 взаимно вычитались. Такой подход достаточно эффективен, так как изменения выход- 77Е хг ных сигналов, вызванные нагревом близких по параметРис. 6.3. Схема измерительного усилители с лифференниальным аховом рам компонентов, в первом приближении одинаковы.
Разность их близка к нулю. Примером измерительного усилителя с дифференциальным входом, высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала является схема рис. 6.3. В ней одинаковые ОУ РА1 и РА2 представляют собой дифференциальный усилитель, имеющий высокое входное сопротивление. Схема их включения обеспечивает повышение К„, . ОУ РАЗ производит вычитание выходных сигналов ОУ РА1, РА2 и тем самым уменьшает влияние на выходной сигнал напряжения смещения нуля ОУ РА1, РА2 и синфазного входного напряжения, Для нахождения коэффициента усиления запишем очевидные уравнения для ОУ РА1, РА2: и., = К„„и,„, — и,„„, — (и.„„,— и.„„,) — ~~' — + и,ы,; (6.12) Лг ~' выхз Кув ~' вхз 7выхз (~ выхз )выхг) + сыз Лгтлг ьлз) Преобразуем (6.12) с учетом того, что в таких усилителях резисторы Я, и Яз равны: Я, = Я = Я, а параметры компонентов выбирают так, чтобы К„» 1.
В результате Лг-Ьзяс этого Лс Лг Ь зяс (6. 13) Если параметры ОУ РАЗ выбраны так, что выполняется Условие Яз7Я4 — (Яв+Яз) Ят](Яе+Ят) Яв — Кз то его выходное напряжение 396 ~ выл ~3 (~ *2 ~ вых1)' (6.14) Подставив в (6.14) значения 17,„„, и 1/,„„з из (6.13), получим =К, 1+-"-" ((и,— и,)+(6.,— и,„,)(. (6А5) Из 16.15) видно, что коэффициент усиления по напряжению Кз (1 + 2Я9)Яз ) зависит от сопротивлений Я„, йз и может легко регулироваться изменением значения Я,. Влияние напряжений смещения нуля ОУ ЗЭА1, РА2 сравнительно невелико и полностью отсутствует при одинаковых 1г,„„1/,„з и равных их изменениях.
Напряжение смещения нуля ОУ ПАЗ никак не компенсируется, но его влияние на погрешности усиления невелико, так как сигналы, поступающие на входы этого ОУ, имеют большие значения. Коэффициент ослабления синфазного сигнала очень велик. Это обусловлено тем, что ОУ 1)АЗ усиливает только разность напряжений 17',„„, и 17', „з, вызванных синфазным сигналом. Поэтому при равных коэффициентах ослабления синфазного сигнала у ОУ .0А), хЭА2 подавление его на выходе ОУ тЭАЗ будет практически полным. Прн необходимости получить дифференциальный вход нагрузку подключают к точкам ), 2 (рис.
6.3). Если к усилителю подключается источник сигнала, не связанный гальваническн с источником питания усилителя, то в цепи входов необходимо ввести сопротивления, обеспечивающие получение требуемых значений входных токов. В электромстрнческих усилителях на входе устанавливают ОУ с высокими входными сопротивлениями, например 544УД1, нли вводят дополнительные входные дифференциальные каскады на полевых транзисторах. Для умсныпения токов утечек вывод входа такого усилителя окружается «охранным» кольцом. На него от ннзкоомного источника подается тот же потенциал, что и на вход усилителя (например, рис. 6.4).
Образуется эквипотенциальная зона, в пределах которой ток не протекает даже при низкокачественной изоляции. К этому же источнику подключают оплетку кабеля, подводящего входной сигнал. При этом также уменьшается влияние собственной емкости кабеля, что важно при больших расстояниях до источника сигнала и имеет самостоятельное значение для усилителей других типов. Рассмотрим некоторые из структур, применяемых на практике. Местные н общие обратные связи позволяют реализовать широкополосные усилители, у которых погрешности коэффициента усиления не превышают долей процента. При необходимости получить более высокие точности приходится применять структурные методы уменьшения погрешностей.
397 Рис 64 Уменынение ~оков Рис. 6вк Схема иериодической комиенсву|ечки во входной дени иии дрейфи и сне~веник нуля Отсюда П„= (ус„К((1+ К). (6.17) Таким образом, в режиме запоминания па конденсаторе С устанавливается напряжение (7„х, которое при достаточно высоком К стремится к напряжению смещения нуля. В рабочем режиме ключи устанавливают в положение ! и разность напряжений, действующая между входами усилителя, становится равной П =(7 +П вЂ” (! =(! + и'" ем!-;К !чя (6. 18) 398 Периодическая кауиненсаиил дрейфа нуля используется в усилителях медленно изменяющихся сигналов (УПТ), там, где допустима «потеряв сигнала в течение промежутка времени, необходимого для компенсации. Необходимость в ее использовании обусловлена тем, что при любых схемных решениях не удается полностью устранить ни временной, ни температурный дрейфы выходного сигнала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
