Нелинейные преобразователи на ОУ

В ряде случаев необходимо, чтобы зависимость входного и выходного напряжений была нелинейной. Для этого используют совместное включение ОУ и нелинейных элементов, таких как диоды, стабилитроны и транзисторы. Наилучшие результаты получаются, если нелинейные элементы включаются в цепь ООС. Рассмотрим в качестве примера выпрямители и ограничители на ОУ.

Прецизионные выпрямители. ОУ можно с успехом применять в тех случаях, когда для целей измерения требуется осуществить точное выпрямление малых по величине переменных напряжений. Нелинейность прямой ветви характеристики диода делает непосредственное выпрямление малых переменных сигналов очень неточным. Кремниевый диод практически перестает проводить ток, как только напряжение, приложенное в прямом направлении, падает ниже 0,4 В. Эту трудность можно преодолеть, поместив диод в петлю обратной связи, охватывающей ОУ, как показано на рис.12.12.

Рис. 12.12. Прецизионный однополупериодный выпрямитель

Здесь функцию выпрямления выполняет диод VD₁: его включение в петлю обратной связи, охватывающую усилитель, приводит к тому, что напряжение, действующее на входе схемы, эквивалентно эффективной разности потенциалов, приложенной к диоду в прямом направлении, поделенному в число раз, равное коэффициенту усиления усилителя без обратной связи, так что усилитель хорошо работает при входных напряжениях меньше 1 мВ. Второй диод VD₂ и относящийся к нему резистор нужны в этой схеме просто для того, чтобы обеспечить обратную связь на время положительного полупериода входного сигнала и, таким образом избежать перегрузки усилителя.

Легко построить и двухполупериодный вариант точного выпрямителя, вставляя «пропускаемую» полуволну с помощью сумматора на ОУ (рис.12.13).

Рис.12.13. Прецизионный двухполупериодный выпрямитель

Качество работы этой схемы определяется точностью подбора 5-ти и 10-ти килоомных резисторов. Другое название этой схемы – схема получения модуля, так как в широком диапазоне уровней сигнала U_ВЫХ = – |U_ВХ|.

Ограничители уровня являются одной из разновидностей схем для нелинейного преобразования сигналов. От данных устройств требуется, чтобы, начиная с некоторого уровня выходного напряжения дальнейшее увеличение входного сигнала не приводило к дальнейшему увеличению выходного напряжения. По сути дела ОУ является таким ограничителем, так как его максимальное напряжение всегда меньше напряжения питания. Однако на практике такое это свойство ОУ для ограничения выходного напряжения не используется. Причина этого в нестабильности уровней ограничения, обусловленной температурной зависимостью параметров полупроводниковых приборов.

По своей сути ограничение выходного напряжения ОУ может пониматься как значительное понижение его коэффициента передачи. Эту проблему можно решить, включая в цепь ООС нелинейный элемент, например, стабилитрон (рис.12.14).

До тех пор, пока напряжение на выходе ОУ недостаточно для открывания стабилитрона, его коэффициент передачи равен собственному коэффициенту передачи ОУ. При превышении входным напряжением напряжения открывания стабилитрона коэффициент передачи устройства резко падает. Действительно, дифференциальное сопротивление стабилитрона на вертикальном участке вольт-амперной характеристики стремится к нулю. При этом коэффициент передачи цепи ООС стремится к единице и выходное напряжение фиксируется на уровне, равном напряжению стабилизации стабилитрона.

Рис.12.14. Ограничитель уровня (а) и его передаточная характеристика (б)

При необходимости коэффициент передачи ограничителя уровня в диапазоне входных напряжений, недостаточных для выхода стабилитрона в режим стабилизации, может быть установлен на требуемом уровне. Для этого параллельно стабилитрону включают резистор обратной связи.

ГЛАВА 13

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ