АНАЛОГОВАЯ МИРОЭЛЕКТРОНИКА 2 страница

В некоторых ОУ предусмотрена внутренняя цепь коррекции, для чего у ОУ имеются выводы для подключения переменного резистора.

Однако входные токи и напряжение смещения сильно зависят от температуры. В этом случае для уменьшения температурного дрейфа рекомендуется сопротивления цепи ООС выбирать с учетом соотношения

.

Для большинства современных ОУ на биполярных транзисторах выполняется условие

.

В связи с этим рекомендуется выбирать R₁ и R₂ из условия

.

ЗАЩИТА ОУ

1.

3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

ДУ предназначен для усиления разности двух входных напряжений U₁ и U₂. Стабилизация коэффициента усиления осуществляется с помощью цепи ООС.

Находим, что , т.к. Δе=0, а так же

и .

Т.к. i_ВХ=0 считаем , следовательно

.

После подстановки е^- в уравнение и преобразований окончательно получаем

.

Таким образом, выходное напряжение ДУ можно рассматривать как сумму двух независимых составляющих, обусловленных входными напряжениями U₁ и U₂ с соответствующими коэффициентами передачи (для инвертирующего и неинвертирующего включений).

Если принять , то при выходное напряжение будет пропорционально разности входных сигналов)

.

ДУ предназначен для усиления слабого дифференциального сигнала с наложенным на него синфазным сигналом в виде постоянного уровня, детерминированного или случайного сигнала (помехи). Источниками таких сигналов могут быть электроды для снятия кардиопотенциалов, реографический сигнал и тд.

Однако простейший ДУ обладает рядом существенных недостатков:

1. Низкое входное сопротивление, причем сопротивление по различным входам не одинаковое.

2. Низкое значение коэффициента подавления синфазного сигнала, причем он значительно ниже, чем ОУ. Это обусловлено следующими причинами:

а) сложностью подбора сопротивлений во входных цепях;

б) сложностью согласования полных сопротивлений по инвертирующему и по неинвертирующему входам.

3. Регулировка коэффициента усиления возможна только изменением двух сопротивлений (например R₂ и R₄).

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

(ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ)

Достоинства:

1. Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала;

2. Одинаковые входные сопротивления по инвертирующему и неинвертирующему входам.

А1 и А2 – неинвертирующие усилители с большими входными сопротивлениями (и одинаковыми).

А3 – дифференциальный усилитель.

Т.к. Δе=0, для неинвертирующих усилителей А1 и А2 можно записать

.

Токи через резисторы R₁, R₂ и R₃ подчиняются соотношениям

,

.

Для усилителя А1 имеем

,

где U₃ – выходное напряжение усилителя А1.

Решая относительно U₃ получаем

Для усилителя А2 аналогично получаем

,

где U₄ – выходное напряжение усилителя А2.

Решая относительно U₄ получаем

Проведем анализ при

U₁=U+ΔU и U₂=U-ΔU,

Где U – синфазная составляющая сигнала,

ΔU – дифференциальная составляющая.

При указанных входных сигналах напряжения U₃ и U₄ будут соответственно равны

.

Вывод: каждый из усилителей в первом каскаде (А1 и А2) усиливают дифференциальную составляющую сигнала и оставляют без изменения синфазную.

Т.к. напряжения U₃ и U₄ являются входными для дифференциального усилителя А3, то с учетом делителя R₆ и R₇ получаем

Если принять

То после преобразований получим

При указанных входных воздействиях получим

Т.е происходит усиление дифференциальной составляющей и полное уничтожение синфазной.

Коэффициент усиления регулируется изменением сопротивления R1.

4. УСИЛИТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В том случае, когда усилитель предназначен только для усиления т переменной составляющей, в простейшем случае, в их входные цепи обычно включают разделительные конденсаторы.

Такой усилитель имеет неравномерную АЧХ как в НЧ, так и ВЧ областях.

при R₁=R₃, R₂=R₄ C₁=C₂.

Верхняя граничная частота зависит от частотных свойств ОУ и цепей частотной коррекции.

Для построения НИ усилителя переменного напряжения с высоким входным сопротивлением можно использовать схему

Преобразователи электрических величин

1. Усилитель тока

УТ можно рассматривать как преобразователь тока в напряжение (I→U).

Простейшим способом преобразования тока в напряжение является пропускание тока через известное сопротивление R₀ и усиление полученного напряжения

и его усиление. Однако для увеличения чувствительности необходимо увеличивать R₀, что поводит к следующим отрицательным последствиям:

1. Увеличивается обратное воздействие измерительной цепи на цепь, в которой производится измерение;

2. Необходимо обеспечить высокое R_вх усилителя.

В качестве УТ или преобразователя I→U часто используют инвертирующее включение ОУ, но без R₁, т.е. R₁=0.

Источник входного тока показан в виде параллельного включения источника тока I_вх и внутреннего сопротивления R_i. Его можно заменить последовательной цепью, где

.

Тогда можно записать, что

Коэффициент усиления тока равен

.

K_i – величина размерная [Ом].

УТ используется, например, для преобразования тока от фотодиода или от фототранзистора.

2. Усилитель заряда

УЗ можно рассматривать как преобразователь заряда в напряжение (q→U). Он вырабатывает выходное напряжение , пропорциональное электрическому заряду, поступающему на его вход, или другими словами, усилитель заряда – это интегратор входного тока.

В качестве источника заряда используются пьезоэлектрические датчики.

Проведем анализ для идеального ОУ.

Приравнивая токи, получим

Т.е.

Коэффициент передачи заряда равен

И напряжения

3. Усилитель с токовым выходом

(преобразователь напряжения в ток)

УсТВ обеспечивают зависимость выходного тока только от значения входного напряжения и его независимость от сопротивления нагрузки.

Простейшими типами УсТВ являются инвертирующий и неинвертирующий усилители, у которых вместо сопротивления обратной связи (R₂) включается сопротивление нагрузки (R_н), причем R_н≥R_нmin.

Простейшие УсТВ имеют ряд недостатков:

1. Ток нагрузки ограничен максимальным выходным током ОУ. Для увеличения тока к выходу ОУ подключают усилитель на транзисторах.

2. В рассмотренных схемах нагрузка не имеет заземленного зажима, т.е. она является "плавающей", что не всегда удобно.

В выходном каскаде применены два источника тока (токовые зеркала) на транзисторах VT3-VT4 и VT5-VT6, имеющие высокое выходное сопротивление. Каждый из источников работает при определенной полярности входного напряжения. Входные токи источников задаются транзисторами VT1 и VT2, причем

Если пренебречь неидеальностью ОУ и управляемых источников тока, получим

4. Источники стабильного тока

В ИСТ используются те же принципы, что и в УсТВ, но входное напряжение U_вх заменяется опорным напряжением Е₀. Очень часто требуется получить ток одного направления, по этому нет необходимости использовать двухтактный выходной каскад.

В представленной схеме ОУ стабилизирует коллекторный ток (I_k1) транзистора VT1. Так как базы транзисторов VT1 и VT2 соединены между собой, то при равенстве эмиттерных сопротивлений (R₁=R₂) их коллекторные токи также будут равны

Учитывая, что VT1 включен по схеме с общим эмиттером, инвертирующей сигнал, то для обеспечения ООС его коллектор соединен с неинвертирующим входом ОУ.

5. Преобразователи сопротивления в напряжение

ПСН применяются в измерительных устройствах с резистивными датчиками. Их можно разделить на два типа:

а) преобразователи полного сопротивления, для которых

б)преобразователи приращения сопротивления, для которых

Преобразователи полного сопротивления

- потенциометрический

Выходная зависимость нелинейная.

Ее можно линеаризовать, если принять

но тогда преобразователь имеет низкую чувствительность.

-- на основе ОУ в инвертирующем или неинвертирующем включении, если R₂ заменить на R_x, а U_вх на U₀. Сопротивление R_x не заземлено.

-- если R_x подключить к выходу источника стабильного тока.

Преобразователи приращения

В преобразователях приращения используются мостовые схемы.