Потапов Л.А., Максимцев Е.И. Основы промышленной электроники - файл n1.doc

Потапов Л.А., Максимцев Е.И. Основы промышленной электроники
скачать (4286 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc4286kb.19.11.2012 19:10скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17

2.1.6. Усилитель постоянного тока



Для получения больших коэффициентов усиления применяют многокаскадные усилители. Связь каскадов между собой осуществляют с помощью конденсаторов. Поэтому зависимость коэффициента усиления от частоты имеет вид, показанный на рис. 2.13. При низких частотах коэффициент усиления стремится к нулю, так как сопротивление конденсатора очень возрастает.

Во многих случаях, особенно при контроле и измерении неэлектрических величин, требуется усиления постоянных токов или сигналов низких частот. Для этого применяют усилители постоянного тока (УПТ), у которых связь между каскадами выполняется с помощью резисторов. Поэтому коэффициент усиления УПТ остается практически неизменным в большой полосе частот, начиная от нуля до граничной частоты (рис. 2.13).

Большим недостатком УПТ является так называемый дрейф нуля, заключающийся в том, что с течением времени на выходе усилителя появляется напряжение при отсутствии напряжения на входе.

Для борьбы с дрейфом нуля применяют:

- стабилизацию напряжения питания,

- стабилизацию температурного режима,

- дифференциальные (балансные) схемы.

Рассмотрим мостовую схему (рис. 2.14,а). В ней потенциалы точек 1 и 2 при холостом ходе (в отсутствие нагрузки RH) будут равны

.

Предположим, что j1 = j2, тогда

.

После преобразований получим

R1 / R2 = R3 / R4.

Баланс моста (jj2) будет сохраняться при синхронном (одновременном) и одинаковом изменении пары R1, R3 или/и R2, R4.

Заменим резисторы R2 и R4 одинаковыми транзисторами, (рис. 2.14,б). На нем оба плеча идентичные, т.е. Rк1 = Rк2, h21=h21 и т.д.




Рис.2.14. Мостовая схема(а) и дифференциальный усилитель(б)
Ток через резистор Rэ будет равен i i1 + i2. Если uвх1 = uвх2, то коллекторные токи i1 = i2 и, следовательно, uвых = 0.

Можно утверждать, что при синфазных (одинаковых по фазе и амплитуде) входных сигналах потенциалы коллекторов транзисторов VT1 и VT2 изменяются также синфазно, поэтому uвых = 0.

Если на входы представленного усилителя подать дифференциальные (разные) сигналы, то на выходе появится их усиленная разность. Таким образом, усилитель (рис. 2.14,б) представляет собой усилитель разностного сигнала – дифференциальный усилитель (ДУ). Этот усилитель может быть использован и как усилитель постоянного тока.

При изменении температуры в симметричных плечах ДУ токи будут меняться одинаково и Duвых = 0. Следовательно, ДУ обладает много большей температурной стабильностью, чем в несбалансированной схеме, а теоретически температурная стабильность может быть абсолютной.

Вообще, ДУ оказывается малочувствительным к любым синфазным воздействиям. Например, помеха по цепям питания вызывает одинаковое изменение токов в плечах ДУ, и выходное напряжение не изменяется.

Для улучшения качественных показателей ДУ вместо резистора Rэ применяют источник тока J = i1 + i2 = const.

ДУ может быть выполнен и на полевых транзисторах. Он является важной частью так называемых операционных усилителей – его входным узлом.
2.1.7. Операционный усилитель
Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный УПТ, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с ООС.

Так как ОУ является УПТ, то на входе, выходе и между каскадами у него отсутствуют конденсаторы.

Впервые ОУ были разработаны в 50-х годах XX столетия и изначально предназначались для выполнения некоторых арифметических операций (сложение, вычитание, интегрирование и др.) в аналоговых вычислительных машинах. С развитием электронных вычислительных машин (ЭВМ) и вытеснением аналоговых первоначальная функция ОУ была утрачена, но термин «операционный» за ними сохранился.

Нужно подчеркнуть, что реализовать высококачественный ОУ на дискретных элементах в промышленных масштабах практически невозможно. Поэтому широкое распространение ОУ получили лишь с широким использованием интегральной технологии, где несущественна сложность электрической схемы и легко решается проблема симметрии.

Большой коэффициент усиления, высокие термостабильность и помехозащищенность, другие параметры, благодаря которым ОУ можно назвать высококачественным, достигается ценой десятков и сотен транзисторов. Как мы знаем, интегральную технологию отличает высокая повторяемость параметров элементов. Поэтому можно изготовлять ОУ с заданными параметрами в едином корпусе, что позволяет рассматривать ОУ как самостоятельный компонент наряду с транзисторами, резисторами и пр. Налицо двойственность подхода к ОУ, отражающее развитие электроники. С одной стороны, ОУ – достаточно сложный усилитель, содержащий сотни транзисторов, с другой, – он является одним из компонентов электрических схем, имеющим свои УГО, параметры и характеристики.

Любой ОУ содержит входной ДУ, каскад усиления напряжения и выходной каскад усиления мощности. Поэтому ОУ имеет два входа, которые называют инвертирующим и неинвертирующим.

Возможны два варианта обозначения ОУ (рис.2.15): без дополнительных полей (вариант а) и с дополнительными полями (вариант б). Инвертирующий вход отличает обозначение окружностью. Дополнительные поля отчерчиваются прямыми и обозначаются соответственно их назначению, например, FC – выводы частотной коррекции, NC – выводы балансировки.

Частотная коррекция необходима, чтобы устранить возможные автоколебания при введении ОС. Выводы балансировки предназначены для подключения подстроечного резистора с целью дополнительной, более точной балансировки плеч ОУ. Обычно справочный материал содержит информацию по использованию выводов частотной коррекции и балансировки.

Современные ОУ, как правило, имеют цепи внутренней частотной коррекции, а дополнительная балансировка часто не требуется. Поэтому ОУ, у которых дополнительные выводы в конкретной схеме не используются, целесообразно обозначать в упрощенном виде – без дополнительных полей.

В зависимости от целевого назначения ОУ подразделяют на ОУ:

1) общего применения, где к ним не предъявляют жестких требований и допустимы погрешности в доли процента;

2) прецизионные, имеющие малые дрейфы и шумы, а также высокий коэффициент усиления;

3) быстродействующие, имеющие большую скорость изменения выходного напряжения и использующиеся для построения импульсных и широкополосных устройств.

Иногда в отдельную группу выделяют микромощные ОУ, потребляющие от источника питания малые токи (менее 1 мА), их удобно использовать в батарейной аппаратуре. У многих имеется защита от перегрузок и коротких замыканий по выходу.

Большинство выпускаемых ОУ имеет напряжение питания 3…15 В.

Все параметры ОУ делят на две группы: статические (по постоянному току) и динамические.

Основные статические параметры ОУ:

1) коэффициент усиления напряжения (коэффициент усиления дифференциального сигнала) Куu = uвых / uвх. Для современных ОУ он может достигать нескольких миллионов;

2) коэффициент ослабления синфазного входного сигнала Кос.сф. Он равен 60…120 дБ;

3) напряжение смещения Uсм – значение напряжения на выходе ОУ при нулевом входном сигнале, поделенное на коэффициент усиления. Показывает, какое напряжение необходимо подать на вход ОУ, чтобы получить на выходе uвых = 0. Для получения Uсм = 0 необходима дополнительная балансировка. Напряжение смещения находится в пределах Uсм = 0,005…50 мВ;

4) входные токи Iвх1, Iвх2, разность входных токов Iвх = Iвх1Iвх2, определяемые при uвых = 0. Нормирование вызвано необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного ДУ. Разность токов обусловливает появление между входами дифференциального напряжения;

5) температурные дрейфы напряжения смещения Uсм/Т, разности входных токов Iвх/Т – характеризуют изменение соответствующих параметров при изменении температуры. Эти параметры важны для прецизионных усилителей, так как скомпенсировать температурные изменения сложно;

6) напряжение питания Uпит. Различают номинальное напряжение питания и допустимый диапазон напряжений питаний;

7) выходной ток Iвых (5…20 мА);

8) входное сопротивление Rвх0 (0,1…1000 МОм).

Динамические параметры ОУ:

1) верхняя граничная частота полосы пропускания fВ. Граничной считают частоту, на которой коэффициент усиления снижается в раз (по сравнению с f = 0);

2) скорость нарастания выходного напряжения VUвых – максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды. Параметр определяет минимальную длительность фронтов выходного сигнала.

2.1.8. Масштабные усилители на базе операционных усилителей



Часто необходимо иметь УПТ со строго определенным коэффициентом усиления. Так, сигнал тензодатчика должен быть усилен в нужное число раз (промасштабирован) достаточно точно, чтобы погрешность измерения не превзошла заданные рамки. В подобных случаях однозначно применяют ОУ.

Для расчета схем на ОУ с ОС примем ОУ идеальным, полагая Куu  . Это означает, что uвх = 0 (даже бесконечно малое изменение дифференциального входного сигнала вызовет конечное приращение выходного).

При этом также Rвх0  , т.е. Iвх1 = Iвх2 = 0.

Рассмотрим две схемы масштабных усилителей на ОУ:

1. Инвертирующий масштабный усилитель (рис. 2.16).

Неинвертирующий вход ОУ соединен с общей точкой, поэтому его потенциал = 0. Так как uвх = 0, то потенциал инвертирующего входа – = 0. Поэтому точку 1 называют «виртуальной» или «искусственной землей».

Мы допустили, что входные токи равны нулю: Iвх = 0, тогда ii1 или, выражая равенство через входное и выходное напряжения, получим

, откуда ,

KU = uвых / uвх = –R2 / R1.

Знак «–» означает, что полярность выходного напряжения uвых противоположна полярности входного uвх (отсюда и название «инвертирующий»). Коэффициент усиления KU такого усилителя определяется лишь соотношением сопротивлений резисторов R1, R2 и не зависит от Kуu.

Очевидно, что входное сопротивление усилителя Rвх = R1.

2. Неинвертирующий масштабный усилитель (рис. 2.17).

Так как u = 0, то ,

.

Коэффициент усиления напряжения также определяется соотношением сопротивлений резисторов R1 и R2. Кроме того, полярность выходного напряжения совпадает с полярностью входного (отсюда название усилителя).

Отличительная особенность неинвертирующего масштабного усилителя – высокое входное сопротивление: Rвх = Rвх0(1 + Kуu / KU).

Если на инвертирующий вход подать полностью все напряжение uвых, что соответствует R2 = 0, то получится повторитель напряжения (KU = 1). Его применяют тогда, когда требуется получить высокое входное сопротивление и/или минимальное выходное, т.е. как эмиттерный повторитель. Если включить конденсатор вместо резистора R2 (рис 2.18), то получится интегрирующий усилитель, а вместо резистора R1 – дифференцирующий усилитель.
Пример 1. Для типовой схемы включения операционного усилителя в масштабном преобразователе (рис.2.18,а) определить сопротивление резисторов R1,R2 и R3, если Ku = 100 и Rн = 10 кОм, Rвх = 50 кОм, Rвых = 1 кОм, Rг = 100 Ом.



Рис 2.18. Схемы включения операционных усилителей: а – в масштабном

преобразователе, б – в интегрирующем каскаде, в – графики входного

и выходного сигналов
Р е ш е н и е. Для получения высокой стабильности коэффициента усиления сопротивление R1 выбирают из условия Rг << R1 << Rвх, поэтому

R1 = 2 кОм. При R2 >> Rвых коэффициент усиления определяется по формуле Ku = R2/R1. , поэтому R2 = 100∙2 = 200 кОм. Эквивалентное сопротивление нагрузки усилителя R'н ? Rн R2/(Rн + R2) должно быть больше Rвых. В нашем случае R'н = 9,5 кОм >> Rвых Для симметричного ОУ необходимо, чтобы

Пример 2. На вход интегрирующего каскада, схема которого приведена на рисунке 2.18, б, подаётся напряжение uвх(t) (кривая 1 на рисунке 2.18,в) от источника с внутренним сопротивлением Rг = 1 кОм. Рассчитать сопротивления R1 и R2 и ёмкость конденсатора С. Найти зависимость uвых(t). Входное сопротивление усилителя Rвх = 50 кОм.

Р е ш е н и е. Для того, чтобы постоянная времени интегрирующего каскада мало зависела от сопротивления Rг источника сигнала uвх(t), необходимо выполнение условия R1 >> Rг, т.е. R1 >> 1 кОм. Работа усилителя будет устойчивой, если R2 << Rвх, т.е. R2 << 50 кОм, но для баланса каскадов усилителя по постоянному току требуется, чтобы R1 = R2. поэтому выбираем R1 = R2 = 20 кОм. Период напряжения uвых(t) составляет 0,01 с. Для уменьшения погрешности интегрирования нужно, чтобы ? >>T. Выбираем ? = 1,0 с.

Тогда С = ?/ R1 = 1/20000 =50∙10-6 Ф=50 мкФ. Зависимость uвых(t)= uвх dt при uвх(0) = 0 изображена на рис. 2.18, в, (кривая 2). Наибольшее напряжение uвых(Т/2) =TUвх m/2? =50 мВ.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации