Режими роботи підсилювальних каскадів на

ЗМІСТ

Стор.

ВСТУП…………………………………………………………5

1 Елементна база засобів вимірювань ……6

1.1 Пасивні елементи засобів вимірювань………………...6

1.2 Активні елементи засобів вимірювань……………….16

2 ТРАНЗИСТОРИ………………………………………….28

2.1 Будова та принцип дії біполярних транзисторів……28

2.2 Параметри та характеристики транзистора………...32

Режими роботи підсилювальних каскадів на

транзисторах…………………………………………….37

2.4 Будова та принцип дії польових транзисторів………42

Характеристики і параметри польових

транзисторів……………………………………………..45

3 ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ………………..….…..50

Класифікація операційних підсилювачів та їх

основні параметри……………………………………….50

3.2 Поняття про ідеальний компаратор…………………....56

3.3 Детектори ненульового рівня………………….………...57

3.4 Основні підсилювальні схеми з використанням ОП…….…....59

3.5 Диференційний підсилювач……………………………...65

3.6 Інструментальний підсилювач………………………….71

3.7 Компаратори…………………………………………………..77

3.8 Гістерезис…………………………………………….…....81

4 ГЕНЕРАТОРИ СИГНАЛІВ………………………..…….….......87

4.1 Автоколивальний мультивібратор……………….……88

4.2 Очікуючий мультивібратор………………………….….90

4.3 Генератор лінійно-наростаючої напруги…………..…..93

4.4 Генератор лінійно-змінної напруги………………….…94

4.5 Генератор напруги трикутної форми……………….….96

4.6 Генератор пилоподібної напруги……………………....100

4.7 Перетворювачі напруга — частота……………………101

4.8 Генератори синусоїдальних коливань………………...102

5 ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ…………………………….….110

5.1 Нестабілізоване джерело живлення……………………111

Визначення коефіцієнта стабілізації і величини

пульсацій………………………………………...………….....114

Біполярне джерело живлення і джерело живлення

з двома номіналами напруги…………………..………..…..117

5.4 Стабілізація напруги живлення……………….……….118

5.5 Стабілізатор напруги на стабілітроні………………....119

5.6 Основна схема стабілізатора напруги на ОП….......…120

Стабілізатор на ОП з потужним струмовим

виходом …………………………………………………….....122

6 Активні фільтри………………………………….…126

6.1.Типи сигналів та їх основні характеристики……...…126

Типи фільтрів, їх призначення та

характеристики…………………………………………..128

6.3 Будова активних фільтрів………………………………131

6.4 Критерії вибору фільтрів………………………………..132

6.5 Схемотехніка активних фільтрів………………………138

7 ПІДСИЛЮВАЧІ ПОТУЖНОСТІ……………….….….145

7.1 Аналіз схем вихідних каскадів……...…………………..145

7.2 Аналіз схем фазоінверсних каскадів……………….…..149

Аналіз схемотехнічних рішень попередніх

підсилювачів…………………………………………………..151

7.4 Практична схема підсилювача потужності…………...154

8 ПЕРЕТВОРЮВАЧІ НАПРУГИ…………………….…..156

8.1 Однотранзисторні пертворювачі напруги………….…156

8.2 Двотранзисторні пертворювачі напруги……………...159

Перелік використаних джерел………..….....163

ВСТУП

 

Радіоелектронні засоби для всіх галузей промисловості та забезпечення життєвих потреб людини є тим важливим фактором, який визначає темпи науково-технічного прогресу в сучасному суспільстві. Особливе місце серед них займають засоби вимірювальної техніки, які призначені для вимірювань різноманітних фізичних величин та контролю працездатності інших радіоелектронних засобів.

Прискорення науково-технічного прогресу вимагає розробки нових схемотехнічних рішень, зменшення термінів розробки засобів вимірювань і впровадження їх у виробництво та експлуатацію. Єлектроніка, будучи основною складовою частиною процесу створення приладів, представляє складний комплекс взаємопов’язаних задач, вирішення яких можливе тільки на основі системного підходу з використанням знань в області сучасної технології, схемотехніки, опору матеріалів, теплофізики, конструювання, естетики та інших теоретичних і прикладних дисциплін.

Сучасний фахівець з інформаційно-вимірювальної техніки, крім ґрунтовних знань методів та способів вимірювань фізичних величин, повинен вільно володіти сучасною схемотехнічною базою для створення нової та удосконалення існуючої інформаційно-вимірювальної техніки.

Однак, бурхливий розвиток техніки призводить до створення все новіших моделей приладів, в яких широко використовуються мікропроцесори, програмовані логічні матриці, швидкодіючі аналогові та цифрові мікросхеми, мініатюрні безкорпусні діоди, транзистори, резистори та інші радіоелементи. Від способів взаємодії та розміщення цих елементів, їхнього впливу один на одного напряму залежать працездатність приладу, рівень його похибок, маса та вартість. Тому фахівець з інформаційно-вимірювальної техніки повинен мати відповідні знання і практичні навики з розробки та розрахунку структурних, функціональних та принципових електричних схем, методів виготовлення друкованих плат, конструювання вузлів електровимірювальних приладів, розробки окремих блоків та деталей таких приладів, захисту їх від перегрівання, електромагнітних завад, тощо.

Л Е К Ц І Я № 1

 

Т Е М А 1: Елементна база засобів вимірювань

 

Пасивні елементи засобів вимірювань

Резистори

 

Резистори – це радіоелементи, які служать для зміни струму та напруги в електричних колах. Розрізняють два основні типи резисторів: постійні та змінні. Постійні резистори задають зміну струму на деяку певну фіксовану величину, а змінні мають можливість регулювати зміну струму і напруги у широких межах.

Резистори працюють як з постійними, так і з змінними видами електричних сигналів. У загальному випадку опір резистора знаходиться згідно закону Ома:

, (1.1)

де U – падіння напруги на резисторі, В;

І – струм через резистор, А.

При цьому потужність резистора визначається з виразу:

(1.2)

У залежності від області застосування резистори поділяються на елементи загального та спеціального призначення. До резисторів загального призначення не ставляться високі вимоги щодо точності виготовлення і стабільності параметрів. Ці резистори використовуються, в основному, як елементи побутової техніки. До резисторів спеціального призначення відносяться елементи підвищеної стабільності, високочастотні, високоомні, а також резистори для мікромодулів та мікрозбірок.

За конструкцією резистори поділяються на плівкові, металоплівкові, металоокисні, металодіелектричні, композиційні і напівпровідникові.

За типом провідного елемента резистори поділяються на дротяні і недротяні.

Як ті так і інші можуть бути постійними і змінними. Постійні резистори в залежності від призначення бувають таких типів:

- прецизійні (високої точності),

- високочастотні та імпульсні,

- високовольтні (вище 2 кВ),

- високомегаомні (вище 10 МОм),

- загального призначення.

Змінні резистори бувають підлагоджувальні і регулювальні. Підлагоджувальні резистори призначені для періодичного підлагодження радіоапаратури. Регулювальні резистори застосовуються для багатоповторних оперативних прелаштувань апаратури [1].

 

Конденсатори

 

Конденсатор – це система з двох електродів, розділених між собою діелектриком, яка має здатність запасати електричну енергію. У техніці розрізняють полярні і неполярні конденсатори постійної та змінної ємності. Конденсатори класифікують за:

- робочою напругою: низьковольтні (U_роб < 1600 В), високовольтні (U_роб > = 1600 В);

- областю застосування – при малих струмах і малих напругах та при великих струмах і високих напругах;

- видом діелектрика – твердим, рідким, газоподібним, окисним, органічним;

- діапазоном робочих частот – для постійної або пульсуючої напруги; для напруги звукових частот (100 – 10000 Гц); для напруги радіочастотного діапазону (вище 100 кГц);

- призначенням – широкого застосування і спеціальні.

 

Трансформатори

 

Трансформатори – це пристрої, що служать для зміни величини напруги, форми імпульсів, гальванічних розв’язок та узгодження опорів в електричних колах.

Трансформатор складається з магнітопроводу, на якому розміщені котушки (обмотки).

За призначенням трансформатори поділяються на: силові (трансформатори живлення), сигнальні (низькочастотні та радіочастотні), імпульсні, вимірювальні. Незважаючи на призначення трансформаторів, основні фізичні процеси, що відбуваються в них, однакові.

При створенні силових трансформаторів найважливішою вимогою до них є відтворення без спотворень гармонійних сигналів.

Сигнальні трансформатори проектуються для роботи у широкому діапазоні частот і основною вимогою до них є передача без спотворень імпульсів прямокутної форми.

 

Л Е К Ц І Я № 2

 

Напівпровідникові пристрої

До активних елементів радіоапаратури відносяться пристрої, здатні змінювати свої характеристики під дією електричного поля сигналу, або додаткового джерела живлення. Любий активний елемент містить один або декілька р-n-переходів, побудованих на основі напівпровідників з різними типами провідності – дірковою – р та електронною – n [3 - 5]. У р-n-переході існує потенціальний бар’єр, який запобігає переміщенню основних носіїв зарядів (електронів та дірок) при відсутності електричного поля.

Розглянемо два випадки подачі зовнішнього електричного поля на р-n-перехід. Спочатку розглянемо випадок, коли напруга зовнішнього електричного поля є протилежною за знаком до контактної різниці потенціалів р-n-переходу. У цьому випадку джерело енергії вмикається так, що поле, яке створюється зовнішньою напругою в р-n-переході, буде направлене на зустріч власному полю р-n-переходу. Таке ввімкнення називається прямим. Воно призводить до зниження висоти потенціального бар’єру. При цьому ширина р-n-переходу зменшується. Частина основних носіїв заряду, які мають найбільшу енергію, зможе перейти через низький потенціальний бар’єр і перейти через межу, що розділяє напівпровідник на області n та р – типів. Це призводить до порушення рівноваги між дрейфовими та дифузійними струмами. Дифузійна складова стає більшою за дрейфову і результуючий прямий струм через р-n-перехід стає більшим за нуль:

(1.9)

При поступовому збільшенні зовнішньої прямої напруги прямий струм через р-n-перехід може зрости до великих значень, оскільки він зумовлений, в основному, рухом основних носіїв, концентрація яких в обох областях р-n-переходу є великою.

Процес введення основних носіїв заряду з однієї області напівпровідника у іншу, де вони є неосновними через р-n-перехід при зниженні висоти потенціального бар’єру називається інжекцією.

Розглянемо тепер випадок, коли до р-n-переходу прикладена зворотна напруга від зовнішнього джерела. При цьому електричне поле, що створюється зовнішнім джерелом співпаде за знаком з полем р-n-переходу. Потенціальний бар’єр між р- і n- областю, при цьому, зростатиме. Кількість основних носіїв, які здатні пересилити дію результуючого електричного поля, зменшиться. Відповідно зменшиться і струм дифузії основних носіїв заряду. Під дією електричного поля від зовнішнього джерела, основні носії будуть відтягуватись від приконтактних шарів у глибину кожної області напівпровідника. У результаті цього ширина р-n-переходу збільшиться.

Для неосновних носіїв (дірок у n – області і електронів у р – області) потенціальний бар’єр у переході відсутній і вони будуть втягуватись полем у область р-n-переходу. Це явище називається екстракцією.

При зворотному включенні основну роль відіграє дрейфовий струм, який має незначну величину, оскільки створений рухом неосновних носіїв заряду. Цей струм називається зворотним:

(1.10)

Величина зворотного струму практично не залежить від зовнішньої зворотної напруги при сталій температурі.

Властивості напівпровідників в повній мірі використовуються активними елементами радіоапаратури – діодами та транзисторами

 

Діоди

 

Діод – це активний напівпровідниковий пристрій з одним випростовуючим р-n-переходом і двома зовнішніми виводами, у якому використовується та чи інша властивість переходу.

Як матеріал для виготовлення діодів використовується германій, кремній, арсенід галію, індій.

Діоди бувають: випростовувальні, високочастотні, імпульсні, стабілітрони, варикапи, тунельні, світло – випромінюючі, світло – приймаючі та ін.

У залежності від способу виготовлення р-n-переходів напівпровідникові діоди поділяються на два типи: точкові та площинні.

Основною характеристикою напівпровідникових діодів є їх вольт-амперна характеристика (ВАХ). ВАХ випростовувального діода наведена на рис. 1.4. В точці А ВАХ діода вважається, що він повністю відкритий.

Випростовувальні діоди призначені для випростовування змінних струмів в діапазоні низьких частот від 50 Гц до 50 кГц. Як випростовувальні використовуються площинні діоди, у яких завдяки великій площі контакту може протікати значний струм [4].

 

 

Рисунок 1.4 – ВАХ випростовувального діода

 

Інші типи діодів

 

Високочастотні діоди – це пристрої універсального призначення: для випростання струмів в широкому діапазоні частот (до 300 мГц), для модуляції, детектування та інших нелінійних перетворень. Як високочастотні використовуються точкові діоди.

Імпульсні діоди призначені для перетворення імпульсних сигналів (генерації, змішування і т. ін.). В основному як імпульсні використовуються точкові діоди.

Стабілізатори напруги (стабілітрони) – це напівпровідникові діоди, які підтримують напругу на собі з певною точністю при протіканні через них струмів у заданому діапазоні. Робочим у стабілітронів є зворотна (пробійна) ділянка вольт – амперної характеристики (рис. 1.5).

Варикапи - це діоди, ємність переходу яких змінюється із зміною постійної напруги.

Тунельні діоди – це діоди з від’ємним опором на вольт– амперній характеристиці.

Світлодіоди – це світловипромінюючі напівпровідникові прилади з одним чи кількома р – n – переходами, які призначені для перетворення електричної енергії в світлову.

Позначення діодів наноситься на їхніх корпусах, або у супроводжуючій документації і складається з кількох елементів.

Перший елемент визначає матеріал, на основі якого виготовлено діод:

Г або 1 – германій,

К або 2 – кремній,

А або 3 – арсенад галію,

И або 4 - фосфад індію.

Другий елемент – буква, що визначає підклас приладів:

Д – діоди випростовувальні, імпульсні;

Ч – випростовувальні блоки;

В – варикапи;

И – тунельні діоди;

А – СВЧ – діоди;

С – стабілітрони;

Г – генератори шуму;

Л – світлодіоди;

О – оптопари;

Н – діодно тиристори;

У – тріодні тиристори.

 

Умовні графічні позначення діодів на електричних принципових схемах наведені на рис 1.6.

Рисунок 1.5 – ВАХ стабілітрона

 

Третій елемент – цифра, що визначає основні функціональні властивості приладу.

Приклад: третій елемент для випростовувальних діодів: (підклас Д):

1. Для діодів з середнім прямим струмом до 0,3А;

2. Для діодів з середнім прямим струмом від 0,3 до 10А.

Четвертий і п’ятий елементи – це порядковий номер розробки розбраковка за параметрами приладів [1, 4].

 

- діод випростовувальний, високочастотний, імпульсний,

 

- стабілітрон,

- варикап,

 

- світлодіод

 

Рисунок 1.6 – Умовні графічні позначення діодів

 

 

Транзистори

 

Транзистори поділяються на біполярні і польові.

Біполярний транзистор – це прилад з двома p – n – переходами і трьома (чотирма) виводами, який має здатність підсилювати напругу і струм при наявності джерела живлення. Особливостю транзистора є те, що його p – n – переходи взаємозв’язані: струм одного переходу може керувати струмом іншого.

Польовий транзистор – це прилад, підсилювальні властивості якого зумовлені потоком основних носіїв через провідний канал, що керується електричним полем.

 

Позначення, що наноситься на корпусах транзисторів, або у супроводжуючій документації складається з кількох елементів.

Перший елемент – визначає матеріал, на основі якого виготовлено транзистори:

Г або 1 – германій,

К або 2 – кремній,

А або 3 – арсенід галію,

И або 4 – фосфат індію.

Другий елемент – підклас приладу:

Т – транзистор біполярний,

П – транзистор польовий.

Третій елемент – цифра, що визначає функціональні можливості транзистора (табл.1.2).

Четвертий елемент – це порядковий номер розробки транзистора та його технологічного типу (цифри від 00 до 99).

П’ятий елемент – поділ технологічного типу транзистора за параметрами (букви від А до Я) [1, 2, 4].

 

Таблиця 1.2 – Функціональні можливості транзисторів

Потужність розсіювання, Вт	Позначення при граничній частоті передачі струму
до 3 Мгц (низько-частотні)	до 30 МГц (середньо-частотні)	більше за 30 МГц (високо-частотні)
До 0,3 (низька)	101…199	201…299	301…399
Від 0,3 до 1,5 (середня)	401 …499	501…599	601…699
Вище 1,5 (висока)	701…799	801…899	901…999

 

Т Е М А 2: ТРАНЗИСТОРИ

 

Параметри постійного струму

 

Параметри постійного струму характеризують величини некерованих струмів транзистора, які пов’язані із зворотніми струмами переходів.

 

Рисунок 2.5 – Транзистор у виді чотириполюсника

 

Зворотній струм колектора I_к.о – струм через перехід база-колектор при відключеному емітері та заданій зворотній напрузі на колекторі. Струм I_к.о характеризує якість колекторного переходу транзистора і є основною причиною температурної нестабільності режиму транзистора у схемі. Чим менше значення має I_к.о, тим транзистор має кращі температурні характеристики [1, 4].

 

Параметри великого сигналу

Параметри великого сигналу характеризують роботу транзистора в тих режимах, у яких струми і напруги змінюються у широких межах (ключові схеми, автогенератори, передкінцеві та кінцеві підсилювачі НЧ та ВЧ).

Статичний коеф. підсилення струму для схеми з ЗЕ знаходиться з виразу:

(2.3)

де І_к, І_б – відповідні струми колектора та бази транзистора,

І_к.о – зворотній струм колектора

 

Як правило, величина В_ст вимірюється в режимах, у яких:

І_{к.о <<} І_к,

І_{к.о <<} І_б

При цьому:

Відповідно, для схеми з СБ отримаємо:

Параметр В_ст характеризує роботу схеми у тому випадку, коли задається струм бази.

 

Динамічний режим

 

Динамічним режимом роботи транзистора називається режим роботи, при якому у вихідній ланці транзистора вмикається опір навантаження, за рахунок якого зміна вхідного струму або напруги буде викликати зміну вихідної напруги. Рівняня динамічного режиму є рівнянням вихідної динамічної характеристики. Оскільки вого є лінійним, то вихідна динамічна характеристика представляє собою пряму лінію і будується на вихідних статичних характеристиках транзистора [1, 4, 5]. Дві точки для побудови прямої знаходяться з початкових умов. Динамічна характеристика ще називається навантажувальною прямою. Точка перетину навантажувальної прямої з одною з віток вихідної статичної характеристики для заданого струму бази називається робочою точкою транзистора. Робоча точка дає змогу визначати струми і напруги, які діють у реальній схемі.

 

Режим роботи класу А

 

У режимі роботи класу А робоча точка встановлюється на лінійній ділянці прохідної динамічної характеристики. Для цього між базою і емітером транзистора за допомогою однієї з схем живлення ланки бази необхідно створити постійну складову напруги, яка називається величиною напруги зсуву. За відсутності змінної складової підсилюваного сигналу робоча точка називається робочою точкою спокою.

Розглянемо рисунок 2.10. До моменту часу t1 змінна складова вхідного сигналу відсутня, і під дією величини Eзм в колекторній ланці транзистора протікатиме постійна складова колекторного струму, яка називається струмом спокою.

 

Рисунок 2.9 – Побудова прохідної динамічної характеристики

 

Режим роботи класу А характеризується мінімальними нелінійними спотвореннями, оскільки підсилювальний елемент працює на лінійній ділянці характеристики. Недоліком режиму класу А є низький ККД = (25 - 30%). Це пояснюється тим, що енергія від джерела живлення витрачається не тільки на підсилення змінної складовою, але і на створення постійної складової Iо, яка є даремною і надалі відсівається розділюючим конденсатором. Режим класу А застосовується, в основному, у попередніх каскадах підсилення.

 

Режим роботи класу В

 

У режимі класу В робоча точка вибирається так, щоб струм спокою був рівний нулю (рис. 2.11). Режим роботи класу В характеризується кутом відсікання Θ. Кутом відсікання називається половина тієї частини періоду, за яку у вихідній ланці протікатиме струм.

Для режиму класу В кут відсікання Θ = 90°.

Характеризується режим класу В високим ККД = 60 - 70 %. Недоліком режиму класу В є великі нелінійні спотворення. Застосовується режим класу В у вихідних двотактних підсилювачах потужності.

Рисунок 2.10 - Режим роботи класу А

 

Режим роботи класу АВ

Іноді положення точки спокою в режимі класу АВ вибирається на нижньому вигині прохідної динамічної характеристики (рис. 2.12). В цьому випадку матиме місце струм спокою, але величина його буде значно менша, ніж в режимі класу А. Кут відсікання Θ у режимі класу АВ буде меншим за 90°. Режим класу АВ має дещо менший ККД, ніж режим класу В (ККД = 50 - 60 %) і дещо менші нелінійні спотворення. Застосовується так само, як і режим класу В, у двотактних підсилювачах потужності.

Рисунок 2.11 - Режим роботи класу В

 

 

Рисунок 2.12 - Режим роботи класу АВ

Режим роботи класу С

Це режим, при якому величина Eсм має негативне значення (рис. 2.13).

Режим класу С характеризується максимальним ККД = 80 %, але і найбільшими нелінійними спотвореннями. Режим С у підсилювачах застосовується у вихідних каскадах потужних передавачів.

 

Режим роботи класу D

Режим роботи класу D - це ключовий режим роботи транзистора [5].

 

Рисунок 2.13 - Режим роботи класу С

 

Л Е К Ц І Я № 3

Л Е К Ц І Я № 4

 

Детектори ненульового рівня

 

Детектор рівня напруги

 

Схеми компараторів, показані на рис. 3.4 і 3.5, можна використовувати також для порівняння напруги з опорним ненульовим рівнем. У схемі рис. 3.6,а до входу (-) ОП прикладена опорна напруга +2 В. У випадку коли вхідна напруга Евх менша за Uon, Uвux дорівнює -Uнac, оскільки напруга на вході (+) відносно напруги на вході(-) від'ємна. При перевищенні Евх заданого значення Uon, напруга на вході (+) стає вищою відносно напруги на вході (-) і Uвux отримує значення +Uнас. Як видно з рис. 3.6, б, Uвux показує, більша чи менша Евх за Uon; у момент переходу Uвux з одної напруги насичення до іншої Евх дорівнює Uon.

Отже: коли Uвux=-Uнac, Евх більша за 0 В; якщо Uвux=+Uнac, Евх менша за 0 В. Схеми компараторів на рис. 3.4 і 3.5 називають детекторами нуля.

а б

 

а – схема компаратора,

б – часові діаграми роботи компаратора

Рисунок 3.5 - Компаратор, чутливий до переходів сигналу через 0

 

Якщо до виходу ОП приєднати два зустрічно включених світлодіоди, то до моменту переходу напруги Uвux з одної напруги насичення до іншої горітиме один світлодіод, а в момент переходу він погасне і загориться інший. Це дасть змогу візуально спостерігати роботу компаратора.

а б

 

а – схема детектора,

б – часові діаграми роботи детектора

 

Рисунок 3.6- Детектор рівня напруги і форми сигналів на вході і виході схеми

Л Е К Ц І Я № 5

 

Інвертуючий підсилювач

 

На рис. 3.7 показано схему на ОП, що одержала найбільш широке застосування. Це підсилювач, у якого коефіцієнт підсилення зі зворотним зв'язком задається резисторами Rзз і R_вх. Він здатний підсилювати сигнали як змінного, так і постійного струму. Щоб зрозуміти, як працює схема, приймемо два спрощуючих припущення [11].

1. Напруга Ед між входами (+) і (-) дорівнює, нулю.

2. Вхідний струм дуже малий і ним нехтуємо.

 

 

Повторювач напруги

 

Схема на рис. 3.10 називається повторювачем напруги; зустрічаються також і інші назви даної схеми: підсилювач з одиничним коефіцієнтом підсилення (чи просто з одиничним підсиленням), буферний підсилювач чи ізолюючий підсилювач. Вхідна напруга Евх у схемі повторювача подається безпосередньо на вхід (+) ОП. Оскільки напругу між входами (+) і (-) операційного підсилювача можна вважати рівною нулю, тоді:

(3.10)

Вихідна і вхідна напруги повторювача збігаються як по величині, так і за знаком. Отже, як на те вказує назва схеми, вихідна напруга повторює напругу на вході. Коефіцієнт підсилення по напрузі дорівнює 1 (одиничне підсилення), що видно з виразу:

(3.11)

Повний вхідний опір схеми з боку входу (+) ОП є дуже великий, порядку декількох мегаом. Тому напруга на виході практично ізольована чи відділена від вхідної напруги.

Така схема повторювача напруги дає змогу отримувати повну розвязку вхідних і вихідних ланок у багатокаскадних пристроях [11].

 

 

Рисунок 3.10 – Неінвертуючий повторювач напруги

Л Е К Ц І Я № 6

 

Диференційний підсилювач

 

Диференційний (різницевий) підсилювач – це підстлювач, сигнал на виході якого пропорційний алгебраїчній різниці вхідних сигналів U_вх1, U_вх2. Різницевий підсилювач передбачає диференційне ввімкнення ОП. Такий тип ввімкнення ОП здійснюється шляхом об’єднання інвертуючої та неінвертуючої схем ввімкнення ОП. У відповідності з цим підсилювач має 2 входи. Різницевий підсилювач підсилює різницю сигналів, які прикладені до входів ОП. Знаючи коефіцієнт підсилення напруги по інвертуючому та неінвертуючому входах отримаємо вираз для визначення вихідної напруги різницевого підсилювача [13]:

(3.12)

Коли прийняти, що R2 = R1 = Rзз та , , звідки , то з виразу (3.34) отримаємо:

(3.13)

Якщо коефіцієнти підсилення різницевого підсилювача по інвертуючому та неінвертуючому входах внаслідок розбіжності номіналів резисторів R1, R2, R3, Rзз будуть відрізнятись, то рівняння (3.35) прийме вид:

(3.14)

Перевагою різницевого підсилювача (рис. 3.11) є можливість підсилення тільки різниці сигналів на його входах, у незалежності від того, які завади попадають на ці входи, або виникають в них. Властивість підсилювати інформаційний сигнал на фоні сильних синфазних завад дає змогу використовувати різницевий підсилювач у різних вимірювальних схемах. Недоліком різницевого підсилювача є різний вхідний опір по кожному з входів, а також складність регулювання його К_ПU, що пов’язана з одночасною зміною двох точно підібраних резисторів.

Рисунок 3.11 - Різницевий підсилювач напруги на ОП

 

Найкращим підсилювачем для вимірювання, контролю і керування є інструментальний підсилювач. Схема його містить кілька операційних підсилювачів і прецизійні резистори, що робить її винятково стабільною і придатною у випадках, коли важлива висока точність. В даний час існує велика кількість інтегральних мікросхем вимірювального підсилювача і модульних варіантів в одному корпусі. Там, де вимагаються якість і точність, вимірювальний підсилювач виправдовує витрачені засоби, тому що його характеристики не можна навіть порівнювати з характеристиками середнього операційного підсилювача — настільки вони кращі [11].

Найближчим родичам вимірювального підсилювача є недорогий диференціальний підсилювач. Додавши до диференційного підсилювача деякі додаткові елементи, ми одержуємо вимірювальний підсилювач.

Інструментальний підсилювач

 

Інструментальний підсилювач - один з найбільш широко застосовуваних, точних і багатофункціональних серед наявних на сьогоднішній день підсилювачів. Збирають його із трьох ОП і семи резисторів, як показано на рис. 3.15. Для спрощення аналізу схеми відзначимо, що вимірювальний підсилювач фактично складається з диференційного підсилювача з буферними каскадами (рис. 3.14,б), з'єднаного з базовим диференційним підсилювачем (рис. 3.11). Операційний підсилювач DA3 зі своїми чотирма зовнішніми резисторами, рівного опору R, утворює диференційний підсилювач з коефіцієнтом підсилення, рівним 1. В даній схемі повинні бути узгоджені тільки резистори, з'єднані з DA3 Резистор регулювання схеми R' можна виконати у виді підстроєчного, щоб збалансувати будь-яку синфазну напругу, як показано на рис. 3.23. Коефіцієнт підсилення задається одним резистором а відповідно до виразу:

(3.17)

де a=aR/R.

Напруга E₁ прикладається до входу (+), а Е₂ - довходу (-). Напруга Uвих пропорційна різниці вхідних напруг. Отже, інструментальний підсилювач має наступні властивості;

1. Коефіцієнт підсилення від диференційного входу (E₁ — Е₂) до несиметричного виходу задається одним резистором.

2. Вхідний опір схеми по обох входах дуже великий і при зміні коефіцієнта підсилення не міняється.

3. Uвих не залежить від напруги, загальної для E₁ і Е₂. (синфазної напруги), а залежить тільки від різниці цих напруг.

 

Рисунок 3.15 - Схема інструментального підсилювача

 

Л Е К Ц І Я №7

 

Компаратори

 

Компаратор – це схема для порівняння напруги сигналу на одному вході з опорною напругою на іншому її вході. В попередніх підрозділах був описаний принцип порівняння і показано, що опорна напруга може бути додатною, від'ємною чи рівною 0 В. Якщо в якості компаратора використовується ОП загального призначення, то на його виході буде встановлюватися додатна чи від'ємна напруга насичення в залежності від того, яка з вхідних напруг вища [11].

Компаратор застосовують у наступних схемах:

1. У тригері Шміта чи схемі формування сигналу, що перетворить сигнал довільної форми в прямокутний чи імпульсний сигнал;

2. У детекторі нуля — схемі, що показує момент і напрямок проходження вхідного сигналу через 0 В;

3. У детекторі рівня — схемі, що показує момент досягнення вхідною напругою даного рівня опорної напруги;

4. У генераторі сигналів трикутної чи прямокутної форм.

Попередній опис компаратора розглядався для того щоб показати, де може застосовуватися операційний підсилювач. Можна розширити можливості застосування і збільшити надійність основної схеми компаратора, додавши до ОП загального призначення кілька зовнішніх елементів.

Включимо в основну схему компаратора на ОП резистивне коло, що з'єднує вихідний контакт і вхід (+). Це коло є колом додатного зворотного зв'язку (ДЗЗ). Звичайно ДЗЗ веде до нестабільної роботи підсилювача. Однак, за певних умов, за допомогою контрольованого додатного зворотного зв'язку можна домогтися поліпшення характеристик основної схеми компаратора при використанні її як генератора прямокутних сигналів (мультивібратора), очікуючого мультивібратора (одновібратора) чи детектора рівня.

При застосуванні компараторів існують певні практичні зауваження. Коли конструюють реальну схему компаратора варто пам'ятати, що між фактичними характеристиками ОП і представленою вище ідеальною ситуацією є деякі розходження. По-перше, вихідна напруга Uвux не змінюється від -Uнас до +Uнас миттєво. Цей перехід відбувається за певний проміжок часу. По-друге, при нульовій диференційній вхідній напрузі Ед напруга Uвux не буде точно дорівнювати нулю. І нарешті, на виході ОП можуть постійно чи при підході Ед до 0 В виникати непередбачені коливання. Все це викликає необхідність глибше вивчити параметри ОП і те, яким чином можна звести до мінімуму розходження між їх ідеальними і реальними характеристиками.

 

Додатний зворотний зв'язок