Вопрос 2. Активный ограничитель

На рис. 2.1 показан активный ограничитель

Рис. 2.1 - Активный ограничитель

Для показанных на схеме величин компонентов напряжение на входе, отвечающее условию U_вх < +10 В, приводит выход ОУ в состояние насыщения, и выполняется условие U_вых = U_вх. Когда напряжение U_вх превышает 10 В, диод замыкает цепь обратной связи и фиксирует на выходе значение 10 В. В этой схеме конечная скорость нарастания ОУ является причиной появления небольших искажений (выбросов) в выходном сигнале, которые возникают в тот момент, когда входное напряжение в процессе нарастания достигает значения напряжения фиксации (рис. 2.2).

 

Рис. 2.2 – Входные и выходные сигналы ОУ

 

Вопрос 3. Схема выделения модуля абсолютного значения сигнала

На рис. 3.1 показана схема определения абсолютного значения сигнала.

Рисунок. 3.1 - Схема выделения модуля абсолютного значения сигнала

 

Она представляет собой сочетание вспомогательного инвертора (ИС₁) и активного ограничителя (ИС₂). При положительных уровнях входного напряжения ограничитель не влияет на работу схемы, его выход находится в насыщении, и в результате ИСХ работает как инвертор с единичным коэффициентом усиления. Таким образом, выходное напряжение по абсолютному значению равно входному. При отрицательных уровнях входного напряжения ограничитель поддерживает в точке X напряжение, равное потенциалу земли, и при этом ИС₁ работает как инвертор с единичным коэффициентом усиления. Таким образом, выходное напряжение равно абсолютной величине входного напряжения. Если ИС₂ запитывается от единственного источника положительного напряжения, то отпадают проблемы, связанные с конечной скоростью нарастания, так как напряжение на выходе ограничителя изменяется лишь в пределах падения напряжения на диоде. Отметим, что от резистора R₃ высокая точность не требуется.

 

Лекция 38. Анализ работы интеграторов и дифференциаторов на операционных усилителях (Занятие 2.2.12).

 

Вопросы:

1.Интеграторы.

2.Дифференциаторы.

3. Операционный усилитель с одним источником питания.

 

 

Вопрос 1. Интеграторы.

На основе операционных усилителей можно строить почти идеальные интеграторы, на которые не распространяется ограничение U_вых << U_вх. На рис. 1.1 показана такая схема.

 

Рисунок. 1.1 - Интегратор.

Входной ток U_вх / R протекает через конденсатор С. В связи с тем, что инвертирующий вход имеет потенциальное заземление, выходное напряжение определяется следующим образом:

 или

Безусловно, входным сигналом может быть и ток, в этом случае резистор R не нужен. Представленной здесь схеме присущ один недостаток, связанный с тем, что выходное напряжение имеет тенденцию к дрейфу, обусловленному сдвигами ОУ и током смещения (обратной связи по постоянному току, которая нарушает правило 3, здесь нет). Это нежелательное явление можно ослабить, если использовать ОУ на полевых транзисторах, отрегулировать входное напряжение сдвига ОУ и выбрать большие величины для R и С. Кроме того, на практике часто прибегают к периодическому сбросу в нуль интегратора с помощью подключенного к конденсатору переключателя (обычно на полевом транзисторе), поэтому играет роль только кратковременный дрейф. В качестве примера рассмотрим интегратор, в котором использован ОУ на полевых транзисторах типа LF411 (ток смещения составляет 25 пА), настроенный на нуль (напряжение сдвига составляет не более 0,2 мВ).

Резистор и конденсатор выбраны так: R = 10 МОм и С = 10 мкФ; для такой схемы дрейф не превышает 0,005 В за 1000 с. Если остаточный дрейф по-прежнему слишком велик для конкретного случая использования интегратора, то к конденсатору С следует подключить большой резистор R₂, который обеспечит стабильное смещение за счет обратной связи по постоянному току. Такое подключение приведет к ослаблению интегрирующих свойств на очень низкой частоте: f < 1/ R₂С.

На рис.1.2 показаны интеграторы, в которых использованы переключатели для сброса на полевых транзисторах и резистор стабилизации смещения.

 

Рисунок 1.2. - Интеграторы на основе ОУ с переключателями для сброса.

 

В схемах такого типа может потребоваться резистор обратной связи с очень большим сопротивлением. На рис. 1.3 показан прием, с помощью которого большое эффективное значение сопротивления обратной связи создается за счет резисторов с относительно небольшими сопротивлениями.

Рисунок 1.3 -  Интеграторы на основе ОУ, у  которого большое эффективное значение сопротивления обратной связи создается за счет резисторов с относительно небольшими сопротивлениями.

Представленная цепь обратной связи работает как один резистор с сопротивлением 10 МОм в стандартной схеме инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления по напряжению, равным — 100. Достоинство этой схемы состоит в том, что она позволяет использовать удобные сопротивления резисторов и не создает опасности из-за влияния паразитной емкости, которую всегда нужно учитывать при работе с большими резисторами.

Например, если схема, показанная на рис. 1.3, подключена к источнику с большим импедансом (скажем, на вход поступает ток от фотодиода и входной резистор опущен), то выходной сдвиг будет в 100 раз превышать U_сдв. Если в той же схеме есть резистор обратной связи величиной 10 МОм, то выходное напряжение равно U_сдв (сдвигом, обусловленным входным током, можно пренебречь).

 

Вопрос 2. Дифференциаторы.

 

Дифференциаторы подобны интеграторам, в них только меняются местами резистор R и конденсатор С (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 -  Дифференциатор

 

Инвертирующий вход ОУ заземлен, поэтому изменение входного напряжения с некоторой скоростью вызывает появление тока

I = C(dU_вх/dt),

тогда  выходного напряжения U_вх = — RC(dU_вх/dt).

Дифференциаторы имеют стабилизированное смещение, неприятности создают обычно шумы и нестабильность работы на высоких частотах, что связано с большим усилением ОУ и внутренними фазовыми сдвигами. В связи с этим следует ослаблять дифференцирующие свойства схемы на некоторой максимальной частоте. Обычно для этого используют метод, который показан на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 -  Дифференциатор с ослаблением дифференцирующих свойств схемы на некоторой максимальной частоте.

Компоненты R₁ и С₂, с помощью которых создается спад, выбирают с учетом уровня шума и ширины полосы пропускания ОУ. На высоких частотах благодаря резистору R₁ и конденсатору С₂ схема начинает работать как интегратор.