Усилители с токовым выходом

????????? ?? http://www.allbest.ru/

????????? ?? http://www.allbest.ru/

Усилители с токовым выходом

Как следует из (2.12), токовый выход, т.е. большое выходное сопротивление, реализуется при отрицательной обратной связи по току (рис. 3.3, а) или положительной ОС по напряжению (рис. 3.3, б). Найдем выражение выходного (по отношению к нагрузке ) сопротивления усилителя с незаземленной нагрузкой (рис. 3.3, а), воспользовавшись соотношением (2.12), где применительно к схеме рис. 3.3,

а :

.

Отсюда видно, что выходное сопротивление в схеме рис. 3.3, а при действии отрицательной обратной связи по току оказывается в раз больше этого же сопротивления, измеренного при отсутствии (т.е. разомкнутой) ОС. Входные сопротивления в схеме рис. 3.3, а по отношению к источникам сигналов и такие же, как и в схемах на рис. 3.1, а и б. Принимая во внимание соотношение (3.2), найдем выражение напряжения на нагрузке для инвертирующего (), неинвертирующего () и дифференциального усилителей:

(3.5)

Как видно из этих выражений, напряжение на нагрузке прямо пропорционально сопротивлению нагрузки, а ток в нагрузке не зависит (в рамках принятых допущений) от , что и является признаком токового выхода. Ошибка вычитания в схеме на рис. 3.3, а, в отличие от схемы на рис. 3.1, в, не зависит от точности сопротивлений внешних резисторов, а определяется только дифференциальными свойствами самого ОУ (коэффициентом ослабления синфазного сигнала ).

Чтобы упростить анализ схемы усилителя с заземленной нагрузкой (рис. 3.3, б), преобразуем ее в однопетлевую схему, как показано на рис. 3.3, в, где операционный усилитель с петлей отрицательной обратной связи представлен эквивалентным усилителем (ЭУ) с конечными коэффициентами усиления

.

Поскольку в этой схеме имеется только одна петля обратной связи, причем положительная и по напряжению (со стороны нагрузки), для определения выходной проводимости воспользуемся выражением (2.12), где , а . Если выполнить условие , то , а выходная проводимость становится равной нулю (при идеальном ОУ):

.

Учитывая, что коэффициенты прямой передачи (при разомкнутой петле ОС) от на выход соответственно равны

,

из (2.10) получим выражения коэффициентов передачи усилителя с заземленной нагрузкой

.

Выражения напряжений на нагрузке для инвертирующего ( ), неинвертирующего () и дифференциального усилителей

(3.6)

подтверждают, что приведенная на рис. 3.3, б схема является схемой усилителя с токовым выходом.

Фазовращатели

Фазовращатель позволяет задать на определенной частоте необходимый фазовый сдвиг без изменения модуля функции передачи. Зная передаточные функции с инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, найдем выражения функций передачи фазовращателей, схемы которых приведены на рис. 3.4, а и б:

Если выполнить условие , то эти функции примут вид

,

в соответствии с чем получим следующие выражения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик:

фазовращатель усилитель токовый заземленный

Таким образом, схемы на рис. 3.4 могут использоваться в качестве фазовых корректоров, у которых модуль функции передачи в широком диапазоне частот (где операционный усилитель можно считать идеальным) не зависит от частоты.

Интеграторы

Поскольку операция интегрирования реализуется при линейном заряде и разряде конденсатора (для чего требуется источник тока с достаточно большим, в идеале - бесконечным сопротивлением), схема интегратора получается из схемы усилителя с токовым выходом (см. рис. 3.3, а и б), если вместо включить конденсатор , как показано на рис. 3.5. Чтобы иметь несимметричный низкоомный выход, выходной сигнал интегратора снимается не с конденсатора, а с выхода ОУ, но напряжение на выходе ОУ и напряжение на конденсаторе (с точностью до масштабного коэффициента) совпадают только в том случае, когда входной сигнал в схеме рис. 3.5, а подается на инвертирующий вход ОУ, а в схеме рис. 3.5, б - на неинвертирующий вход.

Так как в схеме рис. 3.5, а (напряжение в узле 1 близко к нулю), а в схеме рис. 3.5, б (т.е. усиливается неинвертирующим усилителем), выражения выходного напряжения интеграторов можно получить из (3.5) и (3.6) при замене на :

.

Полагая, что в этих выражениях p - оператор Лапласа, перейдем от изображений к оригиналам:

.

Имея выражения функций передачи инвертирующего и неинвертирующего интеграторов

,

построим (рис. 3.6) их амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики

,

где в схеме рис. 3.5, а; в схеме рис. 3.5, б. Постоянная времени задается, исходя из диапазона частот входного сигнала и требования к величине выходного напряжения.

Приведенные выше соотношения получены в предположении идеальности операционного усилителя, а в схеме неинвертирующего интегратора еще и при условии . Если в схеме рис. 3.5, а учесть конечность коэффициента усиления ОУ , а в схеме рис. 3.5, б - возможные отклонения сопротивлений от их расчетных значений (, ), то функции передачи интеграторов примут вид

,

где ошибка интегрирования в схеме рис. 3.5, а значительно меньше ошибки в схеме рис. 3.5, б. Отклонения частотных характеристик от идеальных, вызванных ошибкой , показаны пунктиром на рис. 3.6. При построении дифференциального или неинвертирующего интеграторов с малой погрешностью используется схема рис. 3.5, а с добавлением на ее входе дифференциального (см. рис. 3.1, в) или инвертирующего (см. рис. 3.1, а), а в общем случае суммирующего (см. рис. 3.2, б) усилителя.

Частотные свойства ОУ в области верхних частот сказываются на точности интегрирования в случае малой постоянной времени интегратора . Ошибки интегрирования, возникающие из-за конечного сопротивления и ненулевого операционного усилителя, при правильном выборе сопротивлений внешних резисторов и емкости конденсатора незначительны. Основная проблема при построении интеграторов - это дрейф нуля ОУ. Реально изображенные на рис. 3.5 схемы можно использовать только тогда, когда они, являясь частью более сложной схемы, охвачены отрицательной обратной связью по постоянному току. Если же такие условия отсутствуют, то применяются интеграторы со сбросом (см. подразд. 8.4).

Дифференциаторы

Схема инвертирующего дифференциатора получается из схемы соответствующего интегратора (см. рис. 3.5, а) при перестановке резистора и конденсатора , как показано на рис. 3.7, а.

.

Как и интегратор, дифференциатор описывается функцией передачи и частотными характеристиками

,

записанными здесь для случая идеального ОУ. Конечность коэффициента усиления операционного усилителя и его частотные свойства сказываются у дифференциатора в области верхних частот (на рис. 3.8 показано пунктиром). Однако основная погрешность дифференцирования возникает из-за высокочастотных электрических шумов операционного усилителя, поскольку в области достаточно высоких частот отрицательная обратная связь практически не действует (малое сопротивление конденсатора ) и напряжение шума на выходе ОУ оказывается значительным. Поэтому реально схема на рис. 3.7, а может работать только в составе более сложной схемы, имеющей достаточно глубокую общую отрицательную обратную связь в области высоких частот.

С целью уменьшения выходного напряжения шума последовательно с конденсатором включают резистор (рис. 3.7, б), что увеличивает глубину отрицательной обратной связи на высоких частотах. В этом случае выражения функции передачи и частотных характеристик принимают следующий вид:

,

где ошибка дифференцирования зависит от частоты. Путем рационального выбора величины сопротивления ее можно сделать приемлемой в диапазоне рабочих частот, обеспечив в то же время достаточно низкий уровень выходного напряжения высокочастотного шума. Отклонение частотных характеристик реального дифференциатора (рис. 3.7, б) от характеристик идеального (рис. 3.7, а) показано на рис. 3.8 пунктиром. Вид искажений характеристик в схеме рис. 3.7, б такой же, как и при неидеальном ОУ в схеме рис. 3.7, а, но диапазон рабочих частот в схеме реального интегратора значительно меньше (при этом, напомним, меньше и уровень высокочастотного шума).

Неинвертирующий, дифференциальный или многовходовый дифференциатор можно построить на основе одной из рассмотренных схем за счет подключения к ее входу инвертора, дифференциального усилителя или сумматора.

Размещено на Allbest.ru