Схемы подключения транзисторов с об

Схемы подключения транзисторов с об
Схемы подключения транзисторов с об
Схемы подключения транзисторов с об
Схемы подключения транзисторов с об

Операционные усилители (ОУ) являются основной частью всей современной электронной измерительной аппаратуры. Легкость их применения, стабильность рабочих характеристик и способность выполнять различные преобразования сигнала делает ОУ идеальным выбором для аналоговых схем. Исторически ОУ получили свое развитие в области аналогового вычисления, где эти схемы разрабатывались для суммирования, вычитания, умножения, интегрирования, дифференцирования и т.д., с целью решения дифференциальных уравнений во многих технических задачах. Сегодня аналоговые вычислительные устройства в основном заменены цифровыми, однако высокие функциональные возможности ОУ по-прежнему находят себе применение и поэтому их используют во многих электронных схемах и приборах.
Будем рассматривать схемные решения усилителей, генераторов, преобразователей и т.д. выполненные только на операционных усилителях. Естественно, радиоэлектронное устройство может быть и отдельной микросхемой.

Идеальный операционный усилитель

Операционный усилитель (см. рис. ниже) - это усилитель

с дифференциальным входом, большим коэффициентом усиления, большим входным сопротивлением малым выходным сопротивлением. широкий частотный диапазон, которой обеспечивают непосредственные связи (без разделительных конденсаторов)

На рисунке у операционного усилителя мы видим 5 линий проводников:

U1 - неинвертирующий вход U2 - инвертирующий вход +Uвых - выход +Uпит - положительный вывод питания - Uпит - отрицательный вывод питания

Двуполярное питание обеспечивает возможность инверсии знака напряжения на инвертирующем входе U2, т.е. при подаче на вход U2 положительного сигнала на выходе сигнал будет отрицательным. Напряжение питания ОУ обычно +15 В/-15В, но иногда может варьирироваться от +5/-5 до +18/-18.

Идеальный ОУ чувствителен к дифференциальному (разностному) сигналу Uвх=U1-U2 и нечувствителен к синфазному сигналу Uсин=(U1+U2)/2. Последнее обстоятельство позволяет использовать ОУ в схемах с длинными линиями. Действительно, сигналы помехи ( наводки ) будут одинаковы на обоих входах, но на выходе они сложатся с разными знаками и дадут нуль. Источник сигнала (например датчик) должен иметь дифференциальный выход (полезные сигналы равные по величине, но разные по знаку), как показано на рисунке ниже.

Ниже показан входной каскад ОУ с пассивной нагрузкой. Транзисторы Т1, Т2 и резисторы образуют мостовую схему. Генератор тока (на схеме: кружок со стрелкой) обеспечивает постоянство суммы токов через левое и правое плечи моста. При подаче напряжения на базу, сопротивление транзистора падает и ток коллектора растет. Напряжение разбаланса моста поступает на второй каскад (часто тоже дифференциальный). Рабочая точка всегда должна оставаться в линейной области транзистора. Так как связь между каскадами - непосредственная (без конденсаторов), то ОУ может усиливать постоянное напряжение. Частотный диапазон при этом достаточно широкий от 0 до 1-10 МГц.

Использование активной нагрузкой типа "токовое зеркало" (транзисторы Т3-Т4 на рисунке ниже) позволяет увеличить коэффициент усиления до миллионов раз. Равенство напряжений на базах транзисторов Т3 и Т4 приводит к равенству их коллекторных токов, один ток является "отражением" другого - отсюда и название схемы.

В ОУ без обратной связи коэффициент усиления k сильно зависит от частоты (k падает с частотой как показано на рисунке ниже, кривая 1), поэтому для создания "плоской АЧХ" вводят корректирующие RC-цепи (кривые 2 и 3). Для балансировки нуля также используют внешний переменной резистор.

Кроме того, при высоком значении коэффициента усиления трудно управлять усилителем и удерживать его от насыщения. Если часть выходного сигнала направить обратно на вход в противофазе с входным сигналом, т.е. создать отрицательную обратную связь, то усилитель будет более стабильным, но приведет к снижению коэффициента усиления. Типичные схемы включения ОУ с отрицательной обратной связью имеют коэффициент усиления от 10 до 1000, тогда как коэффициент усиления ОУ без обратной связи находится в диапазоне от 105 до 107. Если обратная связь положительна, усилитель переходит в режим генерации, т.е. становится автогенератором.

Содержание.

Инвертирующий (вычитающий) усилитель

Принципиальная схема, показанная на рисунке является наиболее распространенной схемой включения ОУ. (справа - схема в американском стандарте обозначений)

и

Резистор R2 в цепи обратной связи служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. При подаче входного напряжения (U1) через резистор R1 протекает входной ток i1. Напомним, что входное напряжение ОУ (DU) имеет дифференциальный характер, т.е. фактически это разность напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах усилителя. Неинвертирующий вход чаще всего заземляют. Чтобы получить передаточную характеристику, учтем тот факт, что потенциал U1 практически равен нулевому потенциалу.
Входная цепь: i1 =U1/R1, выходная цепь: i2 = - U2 / R2
Т.к. ОУ - идеальный (Rвх - очень большое): i1 = - i2, отсюда U1/R1=U2/R2
Коэффициент усиления k ус = - U2/U1= - R2/R1
Тогда выходное напряжение будет равно U2 = - (R2 / R1) U1
Отношение номинальных значений резисторов R2/ R1 называется коэффициентом передачи усилителя, охваченного обратной связью, а знак минус означает, что выходной сигнал инвертирован. Следует обратить внимание, что коэффициент усилителя, охваченного обратной связью, можно установить посредством выбора сопротивлений двух резисторов, R1 и R2.

Содержание.


Неинвертирующий и суммирующий усилитель

Если в усилителе, охваченном отрицательной обратной связью через резисторы R1 и R2, напряжение подавать на неинвертирующий вход, как показано на рисунке слева, то мы получим неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления k ус = 1 + R2/R1. Схема, показанная на рисунке справа, работает как суммирующий усилитель.

и

Учитывая знаки напряжений, получим такую функцию преобразования

U2 = (R2 / R1)U4 - (R2 / R1)U3 - (R2 / R3)U2 - (R2 / R4)U1

В заключение заметим, что суммирующий усилитель можно использовать как цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), если номиналы резисторов R1 , R3, R4 будут последовательно расти по степеням числа "2" , как RN =2 N-1.

Содержание.

Компаратор напряжения

Компаратор - устройство для сравнения уровней двух сигналов (от compare - сравнивать). В зависимости от соотношения напряжений на его входах он может находится в одном из двух устойчивых состояний.

Операционный усилитель, обладая дифференциальным входом и высоким коэффициентом усиления, может выполнять роль компаратора. Если сигнал на неинвертирующем входе больше чем на инвертирующем, то на выходе ОУ будет Uвых=k(U1-U2) или фактически +Uпит . Если, наоборот, сигнал на инвертирующем входе будет больше, то на выходе ОУ будет напряжение - Uпит. Для увеличения быстродействия ОУ может быть охвачен положительной обратной связью.

Содержание.

Преобразователь ток-напряжение

Входное напряжение в этой схеме Uвх= - Uвых/k ус=I . R/k ус , а выходное Uвых= - I.R - пропорционально входному току. Входное сопротивление Rвх - очень мало т.к. Rвх=R /k ус и не влияет на схему, в которой проводится измерение тока. Отметим также, что напряжение на выходе практические не зависит от нагрузки.

Содержание.


Преобразователь напряжение-ток

Ток I, протекающий через резистор нагрузки, не зависит от сопротивления нагрузки Rн, но прямо пропорционален входному напряжению. Таким образом схема является источником тока (гальваностатом) , управляемым напряжением. Недостатком данной схемы является невозможность заземлить Rн.

Содержание.

 

Интегратор

а. б.

Схема интегратора, показанная выше (слева), одновременно является активным фильтром нижних частот (ФНЧ). Справа приведена интегрирующая RC - цепочка, являющаяся пассивным ФНЧ, и ее амплитудно-частотная характеристика (АХЧ).
При подаче на вход импульса прямоугольной формы (рисунок справа) на выходе мы увидим импульс с передним и задним фронтами, "затянутые" по экспоненциальному закону:

Приближенно, при временах, меньших RC, на выходе получим проинтегрированный входной сигнал:

При синусоидальном сигнале его форма не меняется, при этом амплитуда уменьшается при частотах порядка 1/RC:

Содержание.


Дифференциатор

а. б.

Поменяв конденсатор и резистор местами, мы получим схему дифференциатора, показанную выше (слева). В тоже время это активный фильтр верхних частот (ФВЧ). Справа приведена дифференцирующая RC - цепочка, являющаяся пассивным ФВЧ, и ее амплитудно-частотная характеристика (АХЧ) с подъемом в области высоких частот.
На этот же рисунке мы можем видеть искажение прямоугольного сигнала. Дифференцирование данная схема осуществляет в соответствии с формулой:

Содержание.


Генератор пилы

Схема генератора пилообразного напряжения создана на базе интегратора. Постоянное напряжение на входе преобразуется в линейнонарастающее напряжение на выходе. При замыкании электронного ключа, выполненного на основе МОП транзистора и управляемого короткими импульсами, происходит сброс выходного напряжения в нуль. Скорость нарастания и линейность зависит от величин R и C.

 

Генератор треугольных импульсов

Схема, представленная на рисунке, состоит из интегратора, инвертора и триггера Шмидта. Триггер Шмидта, как любой триггер, может находится в двух устойчивых состояниях с постоянным положительным или отрицательным напряжением на выходе. Особенностью данного триггера является наличие петли гистерезиса на зависимости выходного напряжения от входного.

Смещение точки перехода из одного состояния в другое обусловлено наличием делителя из резисторов в цепи положительной обратной связи ОУ. Ширина петли гистерезиса зависит от соотношения номиналов этих резисторов, а cмещение петли от начала координат зависит от величины опорного напряжения (в схеме генератора импульсов U оп = 0). Постоянное напряжение с триггера Шмидта поступает на вход интегратора, на выходе которого мы получим линейно нарастающее напряжение. Чтобы переключить триггер Шмидта, полярность управляющего сигнала нужно поменять на противоположную. Для этого служит повторитель, который является инвертирующим усилителем с единичным коэффициентом усиления. После перехода триггера в противоположное состояние напряжение на интеграторе будет линейно убывать до тех пор, пока опять не сработает триггер. Таким образом, данную схему можно использовать и как генератор треугольных импульсов, так и как генератор прямоугольных импульсов, в зависимости с выхода интегратора, или триггера берется сигнал.

Содержание.

Генератор меандра

Генератор прямоугольных импульсов (меандра) можно сделать и на базе одного ОУ.

Здесь мы тоже видим триггер Шмидта, который переключается при достижении на инвертирующем входе напряжения большего (по модулю), чем на неинвертирующем входе. Напряжение на инвертирующем входе растет на мере зарядки конденсатора через резистор R1. Частота генерации рассчитывается как f=ln 3 / (2R1C).

Содержание.

Генератор синусоидальных импульсов

Простая схема генератора синусоидальных колебаний основана на ОУ, в цепь обратной связи которого включены три фазовращающие RC-цепочки.

Таким образом получается положительная обратная связь, а частота генерации зависит от номиналов R и C и соответствует сдвигу фаз на p. Схема будет более стабильной, если в цепи обратной связи будут так называемые Т-образные мосты из резисторов и конденсаторов.

Содержание.

Логарифматор

Чтобы создать логарифматор, включим в цепь обратной связи диод (или транзистор), как показана на рисунке а (слева).

а) б)

Известно, что ВАХ диода носит экспоненциальный характер. Выразим из этой формулы напряжение, отбросив за малостью единицу.
Ток I обусловлен сопротивлением и напряжением на инвертирующем входе. Как мы видим, к сожалению, напряжение V зависит от температуры, поэтому необходимо применять меры для температурной стабилизации схемы. Учитывая, что входное напряжение на логифматоре может меняться на много порядков при незначительном изменении выходного напряжения, такие схемы могут применяться не только для собственно логарифмирования, но и для компрессии сигналов
На рисунке б (справа) можно видеть схему реализующую обратную функцию - антилогарифм (экспоненту). Здесь диод включен во входную цепь, а резистор - в выходную. Имея в наличии блоки для логарифмирования и экспоненциального преобразования сигналов, мы можем сделать перемножить аналоговых сигналов.

Перемножитель

Прологарифмировав сигналы UA и UB, мы складываем их с помощью суммирующего усилителя на ОУ. Известно, что сумма логарифмов двух чисел равна логарифму их произведения. Тогда, выполнив экспоненциальное преобразование, на выходе получаем произведение входных сигналов.

Содержание.

Аналоговые мультиплексор и демультиплексор

Мультиплексоры, используются для выбора источника данных для осуществления связи с одним приемным устройством (много входов - один выход). Демультиплексор выполняет противоположное действие - выбирает один из приемников сигнала для подключения к одному источнику. Цифровые мультиплексор и демультиплексор описаны в главе "Сложные цифровые схемы"

Входные сигналы U1- UN , после прохождения через повторитель, складываются с помощью суммирующего усилителя на ОУ. Собственно включение или выключение входного сигнала осуществляется при подаче импульса fi на ключ, реализованный на полевом транзисторе Тi . Нормально импульсы fi не перекрываются, и ключи Тi - включены. Т.к. сопротивление отрытого транзистора много меньше сопротивления R1, то на вход повторителя входной сигнал Ui не поступает. Коммутация i - входа с выходом происходит только при подаче импульса fi соответствующего входа.

Содержание.

Преобразователь напряжение-частота

Преобразователи напряжение-частота лежат в основе многих цифровых приборов, таких частотомеры, вольтметры и т.д. Действительно, после преобразования напряжения в частоту следования импульсов, нужно сосчитать количество этих импульсов в единицу времени и, умножив на коэффициент преобразования, вывести результат на индикаторы. Существуют специальные схемы ГУН - генераторы, управляемые напряжением, для преобразования напряжение-частота. Мы рассмотрим один из вариантов реализации преобразователя, показанный на рисунке ниже.

Операционный усилитель в данной схеме выполняет функцию компаратора, который сравнивает входной сигнал с напряжением UB на конденсаторе С. Если Uвх > UB , то компаратор запускает одновибратор, который выдает прямоугольный импульс определенной длительности. Этот импульс поступает на ключ, и начинается зарядка конденсатора С с генератора тока (на рисунке - это двойной кружок). После закрытия ключа, конденсатор разряжается через резистор R до напряжения Uвх. Когда напряжение UB станет меньше входного, компаратор опять запускает одновибратор и на выход поступает импульс. Вышеописанная обратная связь позволяет поддерживать равенство Uвх = UB , при этом время разряда конденсатора пропорциональна входному напряжению. Таким образом, частота следования импульсов пропорциональна напряжению.

Содержание.

Преобразователь частота-напряжение

Похожий принцип лежит в основе и преобразователя частота - напряжение. По переднему фронту входного импульса одновибратор вырабатывает прямоугольный импульс фиксированной длительности, который замыкает ключ. При этом начинается зарядка конденсатора С с генератора постоянного тока. Чем чаще поступают импульсы, тем выше будет потенциал на выходе схемы. Так как между импульсами конденсатор разряжается через резистор, то потенциал на выходе может не только расти, но и падать, следуя за частотой входных импульсов.

Содержание.

Задача
из сборника задач по микроэлектронике задача 8.6 по теме Операционный усилитель

Схемы подключения транзисторов с об Схемы подключения транзисторов с об Схемы подключения транзисторов с об Схемы подключения транзисторов с об Схемы подключения транзисторов с об Схемы подключения транзисторов с об Схемы подключения транзисторов с об

Тоже читают:



Красивые поздравления с 65 летием для женщины

Как сделать временную регистрацию мои документы

Макияж невесты для серых глаз брюнеток фото

Установка окон на даче своими руками

Подарок своими руками быстро брату