Дифференциальные усилители на базе ОУ.

Дифференциатором называется устройство, выходной сигнал U_вых которого пропорционален производной от его входного сигнала U_вх.

Простейшая схема дифференциатора, выполненная на ОУ, приведена на рис. 1.1.

 

 

Рис. 1.1 – Схема дифференциатора

Для идеального ОУ напряжение на конденсаторе U_c равно входному напряжению U_вх, а ток через сопротивление обратной связи R равен току через конденсатор C, т.е. ί_R = – ί_С. В этом случае выходное напряжение U_вых = R·ί_R = – ί_С·R = – RC(dU_вх/dt). Уменьшение реактивного сопротивления X_С с увеличением частоты f приводит к тому, что схема дифференциатора имеет высокий коэффициент усиления по отношению к высокочастотным составляющим на входе, даже если их частота лежит выше полосы частот полезного сигнала.

Интегратор на ОУ.

Широкое применение в аналоговой электронике находят интегрирующие устройства, кроме своего прямого назначения они используются в качестве элементов фильтрации сигналов. Схема простейшего инвертирующего интегратора на ОУ приведена на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1 – Схема инвертирующего интегратора на ОУ

Для идеального ОУ для входного тока ί_R и тока через конденсатор ί_C справедливо следующее равенство:

ί_C = – C(dU_вых/dt) = U₁/R = ί_R.Решая это выражение относительно dU_вых , получим:dU_вых = − (1/RC)U₁dt.

Интегрируя последнее уравнение, найдем выходное напряжение:U_вых= .

Постоянный член U_вых(0) определяет начальное условие интегрирования. Пределами интегрирования в этой формуле являются моменты времени t₁ и t₂. В действительности ОУ имеет некоторое напряжение сдвига и нуждается в токе смещения. В интеграторе напряжения сдвига интегрируется как ступенчатая функция, что дает дополнительный линейно нарастающий (или спадающий) выходной сигнал, причем полярность этого сигнала определяется полярностью U_сдв, а наклон – величиной U_сдв. Ток смещ-я течет через конденсатор обратной связи C, что также приводит к появлению наклонного выходного сигнала. В рез-те действия этих двух эффектов конденсатор Cчерез некоторое время зарядится до максимально возможного выходного напряжения усилителя. Такое накопление заряда накладывает ограничение на интервал времени, в течение которого может быть осуществлено интегрирование с достаточной точностью. Кроме того, напряжение U_сдв добавляется к напряжению на конденсаторе C, и т.к. это напряжение равно U_вых, такая прибавка вносит в результат ошибку, равную U_сдв. В результате выражение для U_вых примет вид:U_вых = − (1/RC)∙∫ U₁dt + 1/RC)∙∫ U_сдвdt+(1/С)∙∫ I_смdt + U_сдв.

Нелинейные преобразователи электрических сигналов.

Обычно к ним относятся усилители с нелинейной амплитудной характеристикой: логарифмирующие, антилогарифмирующие усилители; с квадратичной амплитудной характеристикой; аналоговые умножители и делители сигналов, устройства возведения в степень, извлечение корней, вычисление тригонометрических функций, длин векторов; ограничители, детекторы и пр. Диодные ограничители являются простейшими нелинейными преобразователями, но они имеют существенные недостатки, что ограничивают область их применения. Применение ОУ значительно улучшило их показатели и расширило их возможности. Например: ограничитель с резистивным делителем в цепи ОС, в котором нелинейный элемент (VD) включен в цепь параллельной ОС. Рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема ограничителя и передаточная характеристика ОУ

где К₁ и К₂ – коэффициенту усиления усилителя до ограничения и после.

Из характеристики (рис.4.1.б.) видно, что выходное напряжение продолжало изменяться при увеличении входного только с меньшей «скоростью». Этого недостатка лишена схема, предлагаемая для расчета.

Логарифмический усилитель.

Логарифмические и антилогарифмические усилители используются вбыстродействующих устройствах возведения в степень, перемножения и деления сигналов, сжатия сигналов. Логарифмический усилитель обеспечивает получение на выходе сигналас переменной составляющей пропорциональной во времени логарифму переменной составляющей сигнала на его входе, и его схема представлена нарис. 11.16.

Ток, протекающий через диодв цепи обратной связи, описываетсявыражениемI_{д .} 11.27Падение напряжение на диодеравно и противоположно по фазевыходному напряжению и определяется из (11.27). Uд= (kT/ q)* ln I_д/ I₀. Учитывая, что для построения усилителя используется идеальный ОУ, тоI = Iд= Uвх/R, Uвых=(- kT/ q)* lnUвх / RI₀. 11.30Используя уравнение (11.30), строится теоретическая передаточная хар-ка, представленная на рис. 11.17 штриховой линией, а сплошной линией изображена передаточная характер.

Участок передаточной характеристики, где теоретическая и экспериментальная

характеристики совпадают, называютд и н а м и ч е с к и м д и а п а з о н о мл о г а р и ф ми р о в а н и я: Д=Uвх2/Uвх1.Логарифмический усилитель, схема которогоизображена на рис. 11.16, имеет на выходе

напряжение отрицательной полярности приподаче на вход положительного сигнала.