Применение операционных усилителей в устройствах аналоговой обработки сигналов
Особенности работы и применения разнообразных операционных усилителей как элементов обработки сигналов. Общие характеристики и специфика выполнения функциональных схем работоспособности устройств. Повторитель напряжения, логарифмирующее устройство.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 07.01.2015 |
| Размер файла | 487,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Применение ОУ в устройствах аналоговой обработки сигналов
20.1. Неинвертирующий усилитель
Рассмотрим функциональную схему усилителя, представляющего усилитель с глубокой ОOC, рис.20.1
Рис.20.1 Функциональная схема неинвертирующего усилителя
На неинвертирующий вход подается усиливаемый сигнал, на инвертирующий - напряжение обратной связи. Следовательно,
Uдвх= Uвх- Uос= Uвх (1- Uос/ Uвх)= Uвх (1-ЯК),
где K собственный коэффициент усиления ОУ.
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя с ООС определяется выражением операционный усилитель сигнал схема
при K1 K0=1/ =1+R1/R2, где
Из этого выражения следует важный вывод, что при K1 коэффициент усиления неинвертирующего усилителя не зависит от собственного коэффициента усиления ОУ, а определяется только цепью ООС.
При неинвертирующем включении имеет место последовательная ООС по напряжению. Такая ООС увеличивает Rвx и уменьшает Rвых:
Rвх=Rвх(1+K)=RвхK/K0;
Rвых=R вх/(1+К)= RвхК0/К,
где R'вx и R'вых - паспортные данные входного и выходного сопротивлений ОУ. В качестве примера рассмотрим принципиальную схему неинвертирующего УНЧ, собранного на ОУ К140УД1А, рис. 20.2.
Рис.20.2 Принципиальная схема УНЧ на основе операционного усилителя
Усиливаемый сигнал подается через разделительную цепочку C1, R1 на неинвертирующий вход (вывод 10). Эту цепочку рассчитывают по заданному значению fн. На инвертирующий вход (вывод 9) поступает Uoс с делителя R3, R4. Этот делитель определяет глубину ООС и коэффициент усиления Ко
;
С2 и R2 являются элементами внешней частотной коррекции, номиналами которых определяются АЧХ и полоса пропускания УНЧ.
20.2 Суммирующее устройство
При анализе схем на основе ОУ будем пользоваться двумя допущениями: в идеальных операционных усилителях K , вследствие чего Uвхд0, т.е. потенциал входов имеет виртуальный нуль; поскольку входное сопротивление ОУ бесконечно большое, Iвх0.
Сумматор строится на основе неинвертирующего усилителя с несколькими входами U1, U2,...Un, рис. 20.3
Рис.20.3 Функциональная схема сумматора
Воспользуемся вторым допущением Iвх 0, при этом по закону Кирхгофа для узла 1 можно записать
,
или
На входе идеального операционного усилителя обеспечивается виртуальный (фактический) нуль, т.е. Uвx -Uoс=0. Следовательно,
Uвx=Uoс= Uвых R2 /(R1 + R2).
отсюда,
,
где ; (20.1)
Из выражения 20.1 видно, что выходное напряжение определяется суммой входных сигналов.
20. 3 Повторитель напряжения
Повторитель напряжения строится на основе неинвертирующего усилителя. При подаче на инвертирующий вход полного выходного напряжения Uос =Uвых, все выходное напряжение поступает на вход, т.е. имеет место 100% ООС. Это реализуется при R2, R1=0. При этом =1, Ко=1/=1. Усилитель становится повторителем напряжения с высоким входным сопротивлением Rвx = Rвхсф = 108 Ом и малым Rвых десятки Ом.
Принципиальная схема повторителя напряжения на ОУ типа К140Д1А приведена на рис.20.4.
Рис.20.4 Принципиальная схема повторителя напряжения
Элементы C1R1 обеспечивают требуемую fн, С2R2 - коррекцию АЧХ и определяют верхную граничную частоту.
20.4 Инвертирующий усилитель
Рассмотрим функциональную схему инвертирующего усилителя, рис.20.5.
Рис.20.5 Функциональная схема инвертирующего усилителя
Поскольку в идеальных ОУ Iвх = 0, Uд =0, согласно 1-му закону Кирхгофа, для узла "1" имеем
; Uвых=-UвхR2/R1; К0=-R2/R1,
где знак «-» определяет то, что Uвых имеет фазу, сдвинутую на 180.
В отличие от неинвертирующего усилителя в данном усилителе имеет место параллельная ООС по напряжению с коэффициентом передачи
Поэтому такая обратная связь уменьшает входное сопротивление Rвх ОУ. Общее Rвx для такой схемы определяется
,(20.2)
ООС по выходной цепи остается прежней (по напряжению), поэтому Rвых определяется тем же выражением
.(20.3)
20.5 Вычитающее устройство
Вычитающее устройство строиться на основе инвертирующего усилителя, рис.20.6.
Рис.20.6 Функциональная схема вычитающего устройства
Поскольку в идеальных ОУ Iвх =0, то I1=-Iос,
;
-Uвых=U1 к-Uвх (к+1) (20.4)
Из первого допущения Uдвx=0, следовательно, имеем
.
Подставляя U'вx в (20.4), получаем выражение:
Uвых=U2к-U1к=к(U2-U1).
Для удобства вывода формулы обозначим резисторы R и кR, так как в инвертирующем усилителе коэффициент усилителя определяется соотношением сопротивлений К=кR/R
В частном случае при к=1, т. е. R =кR,
Uвых = U2 - U1.
Вычитающие устройства применяются в аналоговых вычислительных машинах. Если к выходам "-'" подать m входных сигналов, а к "+" n сигналов, то выходное напряжение такого устройства будет определяться
,
т.е. устройство проводит суммирование сигналов, поданных на инвертирующий и неинвертирующий входы, а затем усиление разности этих двух сумм.
20.6 Интегрирующее устройство
Предыдущие устройства аналоговой обработки сигналов имели цепи частотно-независимой ООС, т.е. =const и не зависит от частоты. Интегрирующий и дифференцирующий усилители, в отличие от предыдущих устройств, имеют частотно-зависимые цепи ООС. Для этого в цепи ОС включает емкость, сопротивление которой зависит от частоты.
Интегрирующий усилитель строится на основе инвертирующего усилителя, заменив в цепи обратной связи R2 на С, рис. 20.7.
Рис.20.7 Функциональная схема интегрирующего устройства
Вследствие второго допущения имеем
Iвх+ic=0,
Левый вывод заземлен, поэтому выходное напряжение равно напряжению на конденсаторе.
(20.5)
Если на вход подается постоянный скачок напряжения, то
,
выходное напряжение линейно возрастает со временем. Знак “-“ говорит о том, что наклон отрицательный.
При подаче на вход прямоугольных импульсов можн? получить пил??бразное напряжение. Если входной сигнал представляет собой переменное напряжение по косинусоидальному закону, т.е. Uвх=Uвхcosщt, то
.
Амплитудно-частотная характеристика интегрирующего устройства в двойном логарифмическом масштабе строго должна соответствовать ФНЧ 1-го порядка со спадом, равным 6 дБ на октаву или 20 дБ на декаду.
Коэффициент усиления интегрирующего усилителя легко получить из коэффициента усиления инвертирующего усилителя, заменив R2 на Хс,
. (20.6)
Из выражения (20.6) видно, что с увеличением частоты уменьшается К(щ). Как уже было отмечено, в отличие от предыдущих устройств, зависит от частоты и является комплексным. На высоких частотах =1 и фазовый сдвиг цепи ОС равен нулю, как при частотно-независимом. Точность интегрирования зависит от выбора постоянной интегрирования =RC и от параметров ОУ. Для повышения точности желательно использовать скорректированные ОУ с малым Iвх.
20.7 Дифференцирующее устройство
Поменяв местами R и С в функциональной схеме интегрирующего устройства, получим функциональную схему дифференцирующего усилителя, рис.20.8.
Рис.20.8 Функциональная схема дифференцирующего устройства
В этом случае применение закона Кирхгофа для узла 1 дает следующее соотношение:
С(dUвх/dt)+Uвых/R=0, (20.7)
Откуда Uвых=-RCdUвх/dt
АЧХ дифференцируещего устройства можно выразить
; K(щ)=щRC. (20.8)
Как видно из этого выражения, с увеличением частоты K(щ) возрастает. Идеальный дифференцирующий усилитель должен иметь K(f) при f. Однако практически невозможно это реализовать. Начало частотной характеристики определяется равенством 1/щC=R, в этом случае К (f) = 1.
В рабочей области частот K(f) должен возрастать + 6 дБ на октаву или + 20 дБ на декаду. После точки А К(f) дифиринцирующего устройства и К(f) ОУ совпадают.
20.8 Логарифмирующее устройство
Логарифмирующее устройство предназначено для получения выходного напряжения, пропорционального логарифму входного сигнала. Функциональная схема логарифмирующего устройства приведена на рис.20.9.
Рис.20.9 Функциональная схема логарифмирующего усилителя, а - с диодом; б - с транзистором
В логарифмирующем устройстве используется диод, характеристика которого описывается выражением:
, (20.9)
где I0 - обратный ток утечки р-n перехода;
Т - термический потенциал, Т =KT/q;
при Т =20С, Т =26 мВ;
U- напряжение, приложенное к диоду.
При U > 26 мВ вольт-амперную характеристику диода можно представить Iд=I0eU/T. Прологарифмировав обе части, запишем:
ln Iд =lnI0+U/Т или U=T(ln Iд -lnI0)= ТlnIд/I0
Напряжение, приложенное к диоду, U=Uвых.
Uвх/R+Iд=0, Iд=- Uвх/R .
Поэтому Uвых=-ТlnUвх/I0R, это выражение в десятичных логарифмах имеет вид;
Uвых =-2,3Тlg Uвх/I0R
Диоды обладают паразитным омическим сопротивлением, на котором при больших токах падает существенное напряжение, приводящее к искажению логарифмической характеристики. Поэтому удовлетворительная точность в схеме с использованием диодов может быть получена при изменении Ubx в пределах 2 декад. Применение транзистора вместо диода (рис.20.9,б) позволяет значительно расширить динамический диапазон логарифмического устройства. В этой схеме небольшое сопротивление R2 включено в цепь эмиттера для уменьшения усиления транзистора, а конденсатор С обеспечивает устойчивость работы.
Тем не менее, параметры, как диода, так и транзистора сильно подвержены влиянию температуры. Поэтому в логарифмических усилителях стараются скомпенсировать влияние обратного тока.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Понятие и назначение операционных усилителей, их структура и основные функции, разновидности и специфические признаки, сферы применения. Инвертирующее и неинвертирующее включение операционных усилителей. Активные RC-фильтры. Компараторы сигналов.
контрольная работа [72,0 K], добавлен 23.12.2010Методы определения параметров операционных усилителей, входных токов, напряжения смещения, дифференциального входного и выходного сопротивлений, скорости нарастания выходного напряжения, коэффициентов усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей.
контрольная работа [151,0 K], добавлен 02.12.2010Применение операционных усилителей для сложения двух постоянных, двух переменных, постоянного и переменного напряжений, дифференцирования и интегрирования входных сигналов. Переходной процесс в интеграторе, влияние на него амплитуды входного сигнала.
контрольная работа [120,0 K], добавлен 02.12.2010Понятие и принцип работы датчиков, их назначение и функции. Классификация и разновидности датчиков, сферы и возможности их применения. Сущность и основные свойства регуляторов. Особенности использования и параметры усилителей, исполнительных устройств.
реферат [17,8 K], добавлен 28.03.2010Сигналы памяти и приемники изображения, устройства их обработки. Основные параметры элементов ПЗС: рабочая амплитуда напряжений, максимальная величина зарядного пакета, предельные тактовые частоты, мощность. Эффективность работы устройств обработки.
реферат [46,4 K], добавлен 13.01.2009Изучение схемотехники активных фильтров. Исследование влияния динамических параметров операционных усилителей на их частотные характеристики. Анализ электрических схем построения активных фильтров первого и второго порядка на операционных усилителях.
лабораторная работа [372,0 K], добавлен 12.11.2014Операционный усилитель как один из широко распространенных интегральных микросхем. Применение усилителя постоянного тока для повышения качества и интенсивности сигналов. Исследование возможностей его применения для их сложения, в качестве интегратора.
лабораторная работа [243,6 K], добавлен 30.04.2014Понятие и структура, основные элементы и принцип действия широкополосных усилителей, особенности их практического использования. Методы исследования, расчета и проектирования широкополосных усилителей гармонических сигналов и импульсных сигналов.
курсовая работа [179,1 K], добавлен 14.04.2011Основные параметры усилителей низкой частоты. Усилитель электрических сигналов - устройство, обеспечивающее увеличение амплитуды тока и напряжения. Дифференциальный коэффициент усиления. Особенности схемотехники интегральных усилителей низкой частоты.
лекция [621,3 K], добавлен 29.11.2010Принцип работы и характеристики нестабилизированных источников вторичного электропитания. Действие мостовых усилителей и интегрального таймера. Основы построения счетчиков и пересчетных схем, выполненных на триггерах, контроль их работоспособности.
лабораторная работа [2,7 M], добавлен 20.05.2011Применение однотактных усилителей с трансформаторным выходом. Выбор транзистора. Сопротивление обмоток трансформатора. Разработка печатной платы. Расчет истокового повторителя. Составление функциональных схем на элементах И-НЕ по заданным функциям.
курсовая работа [810,6 K], добавлен 28.01.2015Структура устройств обработки радиосигналов, внутренняя структура и принцип работы, алгоритмами обработки сигнала. Основание формирование сигнала на выходе линейного устройства. Модели линейных устройств. Расчет операторного коэффициента передачи цепи.
реферат [98,4 K], добавлен 22.08.2015Частотные и временные характеристики усилителей непрерывных и импульсных сигналов. Линейные и нелинейные искажения в усилителях. Исследование основных параметров избирательных и многокаскадных усилителей. Усилительные каскады на биполярных транзисторах.
контрольная работа [492,6 K], добавлен 13.02.2015Характеристика и область применения сигналов в системах цифровой обработки. Специализированный процессор цифровой обработки сигналов СПФ СМ: разработчики и история, структура и характеристики, область применения, алгоритмы и программное обеспечение.
курсовая работа [224,9 K], добавлен 06.12.2010Изучение методов измерения основных параметров операционных усилителей. Исследование особенностей работы операционного усилителя в режимах неинвертирующего и инвертирующего усилителей. Измерение коэффициента усиления инвертирующего усилителя.
лабораторная работа [751,7 K], добавлен 16.12.2008Понятие электронного усилителя, принцип работы. Типы электронных усилителей, их характеристики. Типы обратных связей в усилителях и результаты их воздействия на работу электронных схем. Анализ электронных усилителей на основе биполярных транзисторов.
курсовая работа [540,7 K], добавлен 03.07.2011Виды транзисторных усилителей, основные задачи проектирования транзисторных усилителей, применяемые при анализе схем обозначения и соглашения. Статические характеристики, дифференциальные параметры транзисторов и усилителей, обратные связи в усилителях.
реферат [185,2 K], добавлен 01.04.2010Знакомство с основными особенностями широкополосного усилителя переменных сигналов, общая характеристика частотных и нелинейных искажений отдельных каскадов. Анализ видов построения схем усилителей. Рассмотрение схем, используемых в усилительной технике.
дипломная работа [643,1 K], добавлен 24.06.2013Методы цифровой обработки сигналов в радиотехнике. Информационные характеристики системы передачи дискретных сообщений. Выбор длительности и количества элементарных сигналов для формирования выходного сигнала. Разработка структурной схемы приемника.
курсовая работа [370,3 K], добавлен 10.08.2009Компенсация напряжения сдвига операционных усилителей, их свойства и принцип работы. Исследование работы инвертирующего, неинвертирующего и дифференциального включения операционного усилителя. Измерение коэффициента ослабления синфазной составляющей.
лабораторная работа [4,0 M], добавлен 16.12.2015
