Формирователи и генераторы импульсных сигналов на ОУ. Компараторы, триггеры Шмитта. Генераторы линейно-измеряющегося напряжения на ОУ

Компаратор – устройство сравнения двух сигналов. Компаратор изменяет скачком уровень выходного сигнала, когда непрерывно изменяющийся во времени выходной сигнал становится выше или ниже определенного уровня.

Компараторы бывают цифровые и аналоговые (сравнивает напряжения)

Диоды служат для защиты входов ОУ от перегрузки напряжения. При U = 100В диоды не открываются.

Часто на одном входе компаратора фиксированное U_вх. Компаратор сравнивает входные напряжения и усиливает их разность с К_и = 10⁴ -10⁵. Т.е. при малейшем превышении одного сигнала над другим на выходе получаем max сигнал положительной или отрицательной полярности. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений , поэтому она пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

Работа компаратора при сравнении двух напряжений поясняется диаграммой:

 

С целью увеличения быстродействия в специа-лизированные компараторы (СА) вводят дополнительные форсирующие Re цепочки, которые могут приводить к возникновению нелинейности при работе ОУ, что несущественно для компаратора. Т.е. ОУ может работать как компаратор.

Недостаток компаратора: недостаточно чёткое срабатывание при медленно изменяющихся и защищённых входных сигналах.

Для решения этой задачи используется триггер Шмитта.

 

Напряжение на инвертирующем входе больше, чем на инвертации, что поддерживает на выходе высокий положительный уровень. Т.к. U_вх станет больше +2В, происходит опрокидывание триггера и напряжение на выходе будет -12В.

На инвертирующем входе U=-2B.

Для того, чтобы вернуть триггер в прежнее состояние необходимо подать на вход отрицательное напряжение, превышающее по модулю 2В.

Триггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину называемую гистерезисом переключения.

 

В схеме триггера Шмита гистерезис переключения достигается тем, что компаратор охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения R27, R28. Если на инвертирующий вход подать большое отрицательное напряжение U_вх, то выходное напряжение компаратора составит U_вых = U_{вых.мах}. На неинвертирующем входе потенциал будет составлять U_+мах=U_{вых.мах}·R28/(R28+R27). При повышении входного напряжения U_вх величина выходного напряжения сначала не меняется. Но как только U_вх достигнет значения U_+мах выходное напряжение начинает падать, в вместе с ним снижается и потенциал U_+мах на неивертирующем входе. Благодаря действию положительной обратной связи U_вых скачком падает до величины U_вых.min, а потенциал U₊ принимает значение U_+min= U_вых.min·R28/(R28+R27). Разность напряжений между входами будет достаточно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние – стабильным. Теперь выходное напряжение изменится опять до значения U_{вых.мах} только тогда, когда входное напряжения достигнет значения U_+min.

Из выше сказанного следует, что величина гистерезиса переключения определяется по формуле: .

 

Генераторы линейно изменяющегося напряжения.

Линейно изменяющимся(пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.

ЛИН характеризуется следующими основными параметрами: периодом Т, длительностью рабочего хода Т_р, длительностью обратного хода Т_обр, амплитудой U_m, коэффициентом нелинейности

где | du/dt|_t=0 и | du/dt|_t=Tp − соответственно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода. В ГЛИН, используемых на практике, Т_р изменяется от десятых долей микросекунды до десятков секунд, U_m −от единиц до тысяч вольт, Т_обр −от 1 до 50% от Т_р. В большинстве реальных схем ε<1%.

Обычно линейное изменение напряжения получают при зарядке и разрядке конденсатора. На рисунке приведена электрическая схема простейшего ГЛИН. На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами U_вх отрицательной полярности. В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут), что обеспечивается выбором соотношения сопротивлений резисторов R_б и R_к. При воздействии входного импульса длительностью Т_р транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника +Е_к через резистор R_к. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте: U_c=E_к(1−e^-t/(RC)). По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор-эмиттер. Используя начальный участок экспоненты, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение U_m/E_к мало, в чем и состоит основной недостаток данной схемы.

Высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. На приведена схема такого ГЛИН, выполненного на операционном усилителе.

Усилители мощности. Режимы работы усилительных каскадов (активный, инверсный, отсечки, насыщения) и их применение. Однотактные усилители мощности. Двухтактные трансформаторные и бестрансформаторные усилители мощности. Выходные каскады комплиментарные и на транзисторах одной проводимости. Фазоинверторы. Емкостная и гальваническая связь с нагрузкой. Нелинейные искажения в усилителях мощности и методы их уменьшения. Режимы работы класса A, B, AB, C, D, сравнительный анализ и области их применения. Способы задания напряжения смещения и температурной стабилизации. Включение транзисторов по схемам Дарлингтона и Шиклаи. Тепловое сопротивление. Обеспечение тепловых режимов выходных каскадов на ПТ и БПТ

 

Усилитель мощности.

Выходной ток интегральных операционных усилителей обычно составляет не более 20 мА. Существует много способов, с помощью которых можно без особых затрат увеличить этот ток приблизительно в 10 раз.

 

Для этого можно применить, например, мощные выходные каскады. Для низкочастотных входных сигналов можно использовать двухтактные эмиттерные повторители в режиме В (см. рис.1). При положительных входных сигналах транзистор VT1работает как эмиттерный повторитель, а транзистор VT2 заперт. При отрицательных входных напряжениях – наоборот. Таким образом транзисторы работают попеременно, каждый в течении одного полутериода входного напряжения. При Uвх=0 оба транзистора заперты; следовательно, схема имеет малый ток покоя. Ток, потребляемый как от положительного, так и от отрицательного источника напряжения равен току в нагрузке. Поэтому схема обладает существенно более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с обычным эмиттерным повторителем. Еще одно различие состоит в том, что выходное напряжение при любой нагрузке может достигать ±U, поскольку транзисторы не ограничивают выходной ток. Таким образом, в схеме не требуется согласования нагрузки, и максимальная мощность на выходе определяется лишь предельным током и максимальной мощностью рассеивания используемых транзисторов.

Как уже отмечалось выше, в каждый момент времени открыт только один транзистор. Однако это справедливо только для частот входного сигнала, не превышающих частоту пропускания используемых транзисторов. Из открытого состояния в закрытое транзистор переходит за определенный промежуток времени. Если длительность колебаний входного напряжения меньше этого промежутка времени, оба транзистора могут оказаться открытыми одновременно. При этом через открытые транзисторы от источников питания будет течь большой ток, который может привести к мгновенному разрушению транзисторов. Колебания с такой критической частотой могут возникнуть также в усилителях, охваченных обратной связью, или даже тогда, когда нагрузка эмиттерного повторителя носит емкостный характер. Для защиты транзисторов следует предусмотреть ограничение тока.

Классы усиления сигнала.

В зависимости от положения рабочей точки на проходной характеристике транзистора различают А, В, АВ, С, Д классы усилений.

Класс А:

В этом режиме рабочая точка находится на середине линейного участка проходной характеристики. В этом режиме обеспечиваются минимальные нелинейные искажения, но он имеет низкий КПД (менее 5% для синусоидального сигнала) и высокие потери мощности в режиме отсутствия сигнала. Используются в предварительных и промежуточных каскадах усилителей, а также в усилителях мощности сверхвысокого качества.

 

Класс В:

В этом режиме рабочая точка находится в начале проходной характеристики U_бэ = 0. Достоинства: достаточно высокий КПД (до 78% при усилении синусоидального сигнала), отсутствие потерь мощности в режиме покоя. Недостатки: высокие нелинейные искажения. Применение: в усилителях мощности невысокого качества и высокой экономичности.

Класс АВ:

В этом режиме рабочая точка находится в начале линейного участка проходной характеристики. Имеет высокий КПД (60-65%), невысокие потери мощности в режиме покоя и относительно невысокие линейные искажения. Необходимо схемоподдержания начального тока коллектора. Используется в усилителях мощности среднего и

высокого качества.

Класс С:

В этом режиме транзистор заперт напряжением смещения на базе и находится в режиме отсечки, т.е. рабочая точка находится левее нуля (в отрицательной области). Транзистор надёжно закрыт обратным смещением. КПД более высокий чем в режиме В, но очень высокие нелинейные искажения. Используется в устройствах, где существенны даже незначительные увеличения КПД, а нелинейные искажения не играют роли, также в генераторах и усилителях, где выделение основной гармоники осуществляется специальными фильтрами, в мощных радиопередатчиках.

Класс Д (ключевой режим):

В этом режиме транзистор либо закрыт, либо открыт. Это импульсный режим работы транзистора. Достоинства: высокий КПД (стремится к 100%). Отсутствуют потери мощности (только на фронтах). Недостатки: нелинейный режим. Применение: импульсные источники питания, наконечники лазеров.

 

 

Генераторы гармонических колебаний. Условия самовозбуждения генераторов (баланс фаз и баланс амплитуд). Автогенераторы. Стабилизация частоты и амплитуды в автогенераторах. Мультивибраторы. Симметричные и несимметричные мультивибраторы на ОУ.

 

Генераторами называются электронные схемы, формирующие переменные напряжения требуемой формы. Генератор можно получить из усилителя, охватив его положительной ОС. Автогенераторами называют генераторами с независимым возбуждением.

Усиление – это процесс преобразования энергии источника питания по закону входного сигнала, а генераторы осуществляют преобразование энергии источника питания в переменное напряжение требуемой частоты.

Для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:

1. баланс фаз – фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем и звеном ПОС должны быть кратны .
   
2. баланс амплитуд – произведение коэффициента усиления и коэффициента ОС , т.е. усилитель должен компенсировать все потери с цепи ОС.

Кроме того, для получения сигнала неискаженной формы необходимо, чтобы . Если происходит затухание колебаний, если , то возникает прогрессирующее нарастание амплитуды сигнала на входе и выходе до ее ограничения, обусловленного напряжением источников питания и форма сигнала отлична от синусоидальной.

Равенство соответствует установившемуся режиму и возможно только при некотором соотношении коэф. ООС и ПОС.