Операційні підсилювачі

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Операційні підсилювачі

1.1 Загальні відомості

Операційний підсилювач (ОП) -- це ППС, що має високий коефіцієнт підсилення, два входи (так званий диференційний вхід) і один вихід.

Зазвичай ОП будують як ППС з безпосередніми зв'язками між каскадами, з диференційним входом і біполярним відносно амплітуди підсилюваного сигналу виходом. Це забезпечує нульові потенціали на вході і виході ОП за відсутності вхідного сигналу. Тому такі підсилювачі легко з'єднувати послідовно, а також охоплювати зворотними зв'язками.

За своєю структурою ОП бувають три- або двокаскадні.

За трикаскадною схемою будувались ОП у інтегральному виконанні першого покоління. Перший диференційний каскад у них працює в режимі мікрострумів, забезпечуючи тим самим високий вхідний опір. Другий диференційний каскад забезпечує підсилення напруги. Третій каскад, вихідний, виконується як двотактний з СК і забезпечує підсилення потужності, а також низький вихідний опір.

ОП другого покоління будуються за двокаскадною схемою. Це стало можливим із зростанням рівня інтегральної технології. При цьому, перший каскад забезпечує і високий вхідний опір, і великий коефіцієнт підсилення за напругою. Другий каскад є підсилювачем потужності.

Свою назву ці підсилювачі одержали у зв'язку з тим, що спочатку вони використовувались для моделювання математичних операцій (додавання, віднімання, диференціювання, інтегрування та ін.) в аналогових обчислювальних машинах (АОМ).

Із розвитком інтегральної техніки області використання ОП значно розширились. Нині вони використовуються в основному як високоякісні підсилювачі напруги при побудові будь-яких електронних пристроїв. А АОМ тим часом були витіснені цифровими обчислювальними машинами.

Поширеному застосуванню ОП сприяють їхні високі параметри. Це великий коефіцієнт підсилення за напругою, що становить КU = (104 - 106); високий вхідний опір по кожному з входів -- RВХ > 400 кОм; низький вихідний опір RВИХ < 100 Ом; досить широкий частотний діапазон -- від нуля до одиниць мегагерц.

За ними ОП для багатьох застосувань наближаються до ідеального підсилювача, що має:

1) KU > ;

2) два симетричних входи з RВХ > ;

3) RВИХ > 0;

4) безкінечний діапазон частот підсилюваного сигналу.

При цьому зазначимо, що як лінійні підсилювачі у десятки тисяч разів реальні ОП не застосовують, бо їх коефіцієнт підсилення (як і інші параметри) -- величина вкрай нестабільна (наприклад, під дією температури).

Умовне позначення ОП наведене на рис. 1.1, а (на рис. 1.1, б, в надано умовні позначення, прийняті у деяких зарубіжних країнах).

Рис. 1.1 Умовні позначення ОП.

Вхід, на який подано U1 називається інвертуючим, a UH -- неінвертуючим.

Якщо сигнал подати на неінвертуючий вхід, то зміни вихідного сигналу співпадають за знаком (фазою) із змінами вхідного. Якщо сигнал подати на інвертуючий вхід, то зміни вихідного сигналу матимуть протилежний знак (фазу) щодо до змін вхідного. Інвертуючий вхід використовують для охоплення ОГІ зовнішніми НЗЗ, а неінвертуючий -- ПЗЗ.

Коротко розглянемо деякі характерні принципові схеми ОП.

ОП типу 153УД1 (рис. 1.2) має трикаскадну структуру.

Перший диференційний каскад побудований на транзисторах VT1, VT2 з джерелом струму на транзисторі VT3. Другий -- на складених транзисторах VT5, VT6 і VT8, VT9 (для забезпечення великого коефіцієнта підсилення за напругою). Вихідний двотактний каскад утворюють VT14 і VT15. Інші елементи забезпечують стабільне живлення першого каскаду і узгодження другого з вихідним (зверніть увагу: без кола на схемах позначають транзистори, що не мають власного корпусу - безкорпусні).

Схемотехніка цього підсилювача багато у чому повторює схемотехніку ППС на дискретних елементах.

Рис. 1.2 ОП типу 153УД1

Особливістю інтегральної схемотехніки у даному разі є застосування в якості джерела струму І0 для вхідного диференційного каскаду так званого «струмового дзеркала», побудованого на транзисторах VT3, VT7. Суть його роботи полягає у тому, що за однакових параметрів транзисторів (а при виконанні на одному кристалі у одному технологічному циклі вони дуже подібні) струм колектора VT3 наслідує -- «віддзеркалює» -- струм колектора VT7: напруга з VT7 у діодному вмиканні задає струм бази VT3, що працює у режимі генератора струму. При цьому нестабільність І0 визначається нестабільністю контактної різниці потенціалів емітерного переходу VT7. Задаючи відповідним чином величини опору резисторів, увімкнених послідовно з VT7, і напругу живлення каскаду, забезпечують стабілізацію режиму VT7, а отже і VT3.

Типовим представником ОП другого покоління є ОП типу 140УД7 (рис. 1.3). Він двокаскадний, має складний вхідний диференційний каскад на VT1 - VT4 і VT6 - VT8 з вмиканням транзисторів за схемою СК - СБ - СЕ. Вхідні емітерні повторювачі (каскади з СК) на VT1, VT6 працюють у режимі мікрострумів, забезпечуючи тим самим великий вхідний опір ОП. Вони є джерелом сигналу для каскадів з СБ на VT2, VT7, що їх колекторними навантаженнями є динамічні навантаження -- джерела струму на VT3, VT8 (як відомо, з боку колектора, через незначний нахил статичних вихідних ВАХ, транзистор має опір у сотні кілоом, а реально можливі опори резисторів у інтегральному виконанні сягають лише десятків кілоом). Оскільки значення коефіцієнта підсилення за напругою пропорційне опору колекторного навантаження, це дозволяє отримати підсилення у декілька сотень разів вже у першому каскаді.

Рис. 1.3 ОП типу 140УД7

Вихідний каскад на транзисторах VT23, VT24 працює у режимі класу АВ. Захист каскаду від перевантажень забезпечують транзистори VT21 і VT22, що вмикаючись напругою датчиків струму R9, R10 (якщо вона перевищує приблизно 0,6 В), шунтують емітерні переходи транзисторів VT23 і VТ24. Решта елементів забезпечує додаткове підсилення та узгодження диференційного каскаду з вихідним.

Особливістю ОП 140УД8 (рис. 1.4) є те, що для забезпечення підвищеного вхідного опору у якості вхідних транзисторів VT2 і VT5 використано польові транзистори.

Рис. 1.4 ОП типу 140УД8

Слід зазначити, що номенклатура сучасних ОП надзвичайно широка. Це необхідно для забезпечення конкретних специфічних потреб розробників електронних пристроїв.

На рис. 1.5 наведена типова схема вмикання ОП типу 140УД7.

Диференційний вхідний сигнал UВХ подається між виводами 2 (інвертуючий вхід) і 3 (неінвертуючий вхід). UСФ -- синфазний сигнал. Навантаження підмикається до виводу 6. Живлення забезпечується двополярним джерелом напруги Е1, Е2, що підмикається між виводами 7, 4 і нульовою точкою джерел живлення.

Рис. 1.5 Схема вмикання ОП типу 140УД7

Нульовий вихідний сигнал при UВХ = 0 забезпечується резистором R1, підімкненим до входів балансування (корекції нуля) 1 і 5. Це дозволяє виключити вплив несиметрії схеми ОП, що виникає за рахунок неідеальної подібності його елементів.

Конденсатор С1 забезпечує корекцію амплітудно-частотної характеристики.

Схеми вмикання ОП і параметри коригуючих ланцюгів наводяться у довідкових матеріалах.

Найважливішими характеристиками ОП є вихідні амплітудні (передатні) характеристики - UВИХ = f(UВХ), зображені на рис. 1.6.

Знімають ці характеристики, подаючи сигнал на один із входів і з'єднуючи інший з нульовою точкою.

Кожна вихідна характеристика має горизонтальні та скісну ділянки. Горизонтальні ділянки відповідають режимам повністю відкритого чи закритого транзистора вихідного каскаду (режимам насичення). При зміні напруги вхідного сигналу на цих ділянках вихідна напруга підсилювача залишається незмінною і визначається напругами U+ВИХ m або U-ВИХ m, близькими до напруги джерел живлення Е1, та Е2.

Рис. 1.6 Передатні характеристики ОП

Коефіцієнт підсилення визначається по скісних ділянках:

(1.1)

Великі його значення дозволяють за умов охоплення ОП глибоким НЗЗ одержати схеми з властивостями, що залежать лише від параметрів ланцюга НЗЗ K> KЗЗ > 1/ч залежить лише від параметрів ланцюга НЗЗ (і, на перший погляд, фактично не залежить власне від підсилювача!)

Стан, за якого UВИХ = 0 при UВХ = 0, називається балансом ОП. Однак для реальних ОП умови балансу не виконуються (є розбаланс).

Напруга UЗМ 0, за якої UВИХ = 0, має назву вхідної напруги зміщення нуля. Вона визначає напругу, що необхідно подати на вхід підсилювача для створення балансу. Передатні характеристики ОП за наявності розбалансу наведені на рис. 1.7.



Рис. 1.7 Передатні характеристики ОП за наявності розбалансу

(1.2)

Корекція розбалансу виконується коригуючими ланцюгами або, за відсутності таких у ОП деяких типів, подачею на вхід напруги, що дорівнює UЗМ 0 і протилежна за знаком.

Вхідний опір, вхідний струм зміщення, максимальні вхідні диференційна та синфазна напруги є основними вхідними параметрами ОП.

При необхідності захисту від перенапруг між входами ОП вмикають зустрічно-паралельно два діоди або стабілітрони.

Вихідними параметрами ОП є вихідний опір, максимальна вихідна напруга та струм.

Частотні характеристики ОП визначають з його АЧХ, зображеної на рис. 1.8. Вона має спадний характер за високих частот, починаючи від частоти зрізу fЗР.

Рис. 1.8 АЧХ ОП

fВ -- верхня межа частотного діапазону. За цієї частоти: ,

(1.3)

Діапазон частот (0 - fВ) має назву смуги частот ОП.

Широке практичне використання ОП в аналогових пристроях зумовлене, головним чином, застосуванням у їх схемах різного роду зовнішніх НЗЗ, чому сприяє велике значення коефіцієнта підсилення КUОП високий вхідний та малий вихідний опори. Висока якість параметрів сучасних ОП дозволяє, зокрема, без внесення помітної похибки при розрахунку схем на ОП, приймати KUОП > , RВХОП>, RВИХ > 0, а значить вважати ОП за ідеальний!

Розглянемо деякі приклади електронних пристроїв на ОП.

1.2 Інвертуючий підсилювач

Інвертуючий підсилювач (необхідно розрізняти поняття «операційний підсилювач» і «підсилювач, виконаний на операційному підсилювачі»), схему якого зображено на рис. 1.9, змінює знак вихідного сигналу відносно вхідного. Він створюється введенням паралельного НЗЗ за допомогою резистора RЗЗ на інвертуючий вхід ОП -- на цей вхід подається частина вихідного сигналу з дільника RЗЗ, R1.

Рис. 1.9 Інвертуючий підсилювач на ОП

Неінвертуючий вхід з'єднується із спільною точкою схеми (точкою з нульовим потенціалом). Вхідний сигнал через резистор R1 подається на інвертуючий вхід ОП. Кола живлення і ланцюги корекції тут і надалі не показано.

Виходячи з наведеного вище, а саме: вважаючи ОП за ідеальний, при аналізі схем з ОП слід виходити з таких положень:

коефіцієнт підсилення ОП нескінченний;

входи ОП струму не споживають (RВХ ОП = );

у вихідних колах ОП падіння напруги відсутнє (RВИХ ОП = );

якщо ОП охоплено НЗЗ і він працює у лінійному режимі (в режимі підсилення, а не насичення), різниця потенціалів між його входами UВХОП=U0=0.

Доведемо останнє положення.

Якщо KUОП > , то UВХ ОП > .

Реально UВХ ОП = U0 не дорівнює. Але це настільки незначна величина, що для більшості схем на ОП нею можна знехтувати.

Дійсно, якщо, наприклад, UВИХ ОП = l0 В (це майже відповідає насиченню), а КUОП = 100000, то U0 = 100 мкВ!

Оскільки на неінвертуючий вхід подана напруга UH = 0 (він з'єднаний з нульовою точкою), a U0 = 0, то і потенціал інвертуючого входу також дорівнює нулю (віртуальний нуль). У результаті джерелом вхідного сигналу пристрій сприймається як R1 -- вхідний опір підсилювача дорівнює величині опору резистора R1.

За першим законом Кірхгофа для вузла а маємо:

І1 = ІЗЗ. (1.4)

Тобто

(1.5)

ОП, забезпечуючи рівність U0 = 0, створює на виході таку напругу, щоб відвести струм І1 через резистор RЗЗ.

Тоді

(1.6)

Отже, КUЗЗ залежить лише від співвідношення опорів резисторів дільника НЗЗ. Знак «-» вказує на інверсію вхідного сигналу. Вхідний опір схеми дорівнює величині R1.

Якщо

RЗЗ > R1,

то

-- маємо інвертуючий масштабний підсилювач (з масштабним коефіцієнтом

KUЗЗ = - RЗЗ/R1

При RЗЗ = R1, КUЗЗ = -1 -- схема набуває властивостей інвертуючого повторювана вхідної напруги (інвертор сигналу).

1.3 Неінвертуючий підсилювач

Неінвертуючий підсилювач, схема якого зображена на рис. 1.10 можна отримати, якщо ввести послідовний НЗЗ за напругою на інвертуючий вхід, а вхідний сигнал подати на неінвертуючий вхід ОП.

Тут UH = UВХ, а вхідний струм ІВХ = 0, бо RВХ ОП = .

Оскільки U0 = 0, то

UR1 = UВХ,

UВХ/R1 = ІЗЗ.

З іншого боку

.

Отже,

Звідки

(1.7)

Тоді коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача

(1.8)

Рис. 1.10 Неінвертуючий підсилювач

Якщо RЗЗ = 0, а R1 > одержимо неінвертуючий повторювач, схему якого зображено на рис. 1.11.

Рис. 1.11 Повторювач напруги на ОП

Неінвертуючий та інвертуючий підсилювачі широко використовуються як високостабільні підсилювачі різного призначення. Причому, неінвертуючий має великий вхідний опір (теоретично -- нескінченний) і використовується для підсилення сигналів джерел із високим вихідним опором.

1.4 Перетворювач струму у напругу

Схема перетворювача струму у напругу, зображена на рис. 1.12 є варіантом схеми рис. 1.10 за умови, що R = 0.

При цьому

(1.9)

Звідки

(1.10)

Малі значення вхідного та вихідного опорів зазначеної схеми є її важливою перевагою при використанні як перетворювача струму джерела вхідного сигналу у напругу.

Рис. 1.12 Перетворювач струму у напругу

1.5 Інвертуючий суматор

Схема інвертуючого суматора зображена на рис. 1.13. Він виконаний за типом інвертуючого підсилювача (рис. 1.9) з кількістю паралельних гілок на вході, що дорівнює числу сигналів. Якщо опори всіх резисторів схеми однакові

RЗЗ = R1 = R2 = … = Rn << RВХ ОП

то при ІВХ ОП = 0 маємо

ІЗЗ = І1 + І2 + … + Іn (1.11)

Або

UВИХ = -(U1 + U2 + Un) (1.12)

Рис. 1.13 Інвертуючий суматор

Останнє співвідношення відбиває рівноправну вагову участь доданків у їх сумі. Підсумовування може виконуватись також з різними ваговими коефіцієнтами для кожного з доданків.

Досягається це використанням різних значень опорів резисторів у вхідних гілках.

операційний інвертуючий підсилювач

Тим, що точка з'єднання резисторів має нульовий потенціал («віртуальний нуль»), виключається взаємний вплив джерел вхідних напруг

1.6 Неінвертуючий суматор

Неінвертуючий суматор можна отримати шляхом послідовного з'єднання суматора (рис. 1.12) та інвертора (рис. 1.13). Але на основі неінвертуючого підсилювача (рис. 1.10) його можна створити значно простіше - як це показано на рис.

Рис. 1.14 Неінвертуючий суматор

При U0 = 0 напруга на обидвох входах ОП однакова і складає

(1.14)

Оскільки струм неінвертуючого входу дорівнює нулю (тому що RВХОП > ) маємо:

(1.15)

Або

(1.16)

звідки

(1.17)

Задамо

і тоді

(1.18)

Але взаємний вплив джерел вхідних напруг тут не виключається, як це було у інвертуючого підсилювача. Тому джерела повинні мати якомога менші опори, або їх треба враховувати при розрахунку.

1.7 Інтегруючий підсилювач (інтегратор)

Схема інтегратора зображена на рис. 1.15. Вона створюється заміною в схемі інвертуючого підсилювача (рис. 1.10) резистора зворотного зв'язку RЗЗ конденсатором С. Оскільки RВХ ОП = , то маємо:

Або

(1.19)

Як правило, при t = 0 UС = UВИХ 0, тому

(1.20)

RC = ф

-- стала часу. Реальному масштабу часу відповідає ф = 1 с. При подачі на вхід постійної за значенням напруги, струм, що заряджає конденсатор, має постійне значення UВХ/R (не залежить від ступеня заряду конденсатора) і конденсатор заряджається рівномірно, а вихідна напруга зростає лінійно

(1.21)

Рис. 1.15 Інтегратор

Тому інтегратор часто застосовують як основу генераторів лінійних напруг.

На рис. 1.16 зображені часові діаграми роботи інтегратора при подачі на його вхід постійної напруги.

Рис. 1.16 Часові діаграми роботи інтегратора

При ф2 -- параметри вибрані неправильно, бо не забезпечується виконання інтегрування за весь час дії вхідного сигналу (ОП входить у режим насичення).

1.8 Диференціюючий підсилювач (диференціатор)

Схема диференціатора наведена на рис. 1.17. Від схеми інтегратора (рис. 1.15) вона відрізняється заміною місцями резистора і конденсатора. Тут

(1.22)



Рис. 1.17 Диференціатор

Сталу часу ф необхідно вибирати так, щоб у процесі диференціювання дотримувалась нерівність UВИХ < UВИХ m.

1.9 Компаратори (схеми порівняння)

Компаратори -- це електронні пристрої, призначені для порівняння напруг. Схема найпростішого компаратора зображена на рис. 1.18, а. Він виконує порівняння вхідного сигналу UВХ з опорною напругою Uоп.. Сигнал на виході ОП змінює полярність, коли ці напруги зрівнюються, як показано на часових діаграмах роботи компаратора, наведених на рис. 1.18, б.

Рис. 1.18. Компаратор (а) і часові діаграми його роботи (б).

Коли Uoп. = 0, маємо нуль-орган, що фіксує відхилення UВХ від нульового значення.

Компаратор -- це чи не єдине застосування ОП без зворотних зв'язків, коли напряму використовується його великий коефіцієнт підсилення: найменша різниця потенціалів між входами призводить до насичення ОП. При цьому маємо знак вихідної напруги «+», коли напруга на неінвертуючому вході більш позитивна, ніж на інвертуючому, і«-», коли навпаки.

Живити ОП у даному разі можна і від однополярного джерела, бо він фактично порівнює синфазні напруги.

1.10 Підсилювач змінного струму на ОП з однополярним живленням

Забезпечення підсилення сигналів змінного струму при однополярному живленні ОП вирішується тими ж методами, що і у транзисторному підсилювачі класу А. А саме: введенням зміщення і розділяючих конденсаторів. Схема підсилювача наведена на рис. 1.19.

Рис. 1.19 Підсилювач змінного струму з однополярним живленням

Тут R1, R2 -- дільник, що задає зміщення точки спокою, С1, С3 -- розділяючі конденсатори. Дільник сигналу зворотного зв'язку R3, R4 забезпечує коефіцієнт підсилення у даному разі КU = 101. Конденсатор С2 забезпечує роботу схеми за постійним струмом як повторювача напруги, щоб виключити підсилення сигналу змізщення нуля.

1.11 Збільшення потужності вихідного сигналу ОП

Незважаючи на те, що є типи ОП з потужним виходом (з вихідним струмом до 5 А), все ж основна їх маса має малопотужний вихід (струм до 10 мА). Збільшення вихідної потужності можна забезпечити, наприклад, за допомогою схеми, наведеної на рис. 1.20.

Рис. 1.20 Потужний підсилювач на ОП

Тут для підсилення потужності застосовано найпростіший двотактний підсилювач на транзисторах різного типу провідності. Відомо, що останній працює в режимі класу В, для якого характерні значні нелінійні викривлення. Позбавитися їх дозволяє підімкнення резистора зворотного зв'язку R2 не до виходу ОП, а до виходу підсилювача потужності. Тепер ОП, забезпечуючи рівність U0 = 0, створює на своєму виході напругу, що компенсує падіння на базоемітерних переходах транзисторів. Таким чином отримуємо режим роботи класу АВ без введення додаткових елементів.

1.12 Прецизійний випрямляч

Відомо, що для випрямлення сигналів змінного струму можуть бути застосовані випрямні діоди. Але наявність падіння напруги на діоді до 1 В при протіканні струму через нього призводить до того, що сигнали з напругою у десяті долі вольта взагалі не можуть бути випрямлені, а випрямлення сигналів у одиниці вольт супроводжується значною похибкою. Більше того, ця похибка залежить від змін температури. Отже, точний (прецизійний) випрямляч побудувати на діодах неможливо.

Але це можна зробити з використанням ОП. На рис. 1.21 наведено схему прецизійного однонапівперіодного випрямляча.

Рис. 1.21 Прецизійний випрямляч

Фактично це є повторювач для сигналів позитивної полярності. Як і у випадку потужного підсилювача, падіння напруги на діоді компенсується ОП.

Вихідніш сигнал знімається з інвертуючого входу ОП. Для позитивної вхідної напруги, оскільки U0 = 0, маємо:

UВИХ = U1 = UН = UВХ.

При негативних значеннях UВХ ОП знаходиться у режимі насичення, а на вихід пристрою через резистор R подається напруга UВИХ = 0.

На кінець розділу слід зазначити, що у ньому розглянуто лише деякі з типових застосувань ОП. Існує величезна кількість схем і схемотехнічних прийомів із використанням ОП. Проте маємо надію, що навички, здобуті при вивченні цього розділу, дадуть Вам змогу розібратися зі специфікою побудови і роботи будь-яких електронних пристроїв на ОП.

1.13 Пікові детектори

Пікові детектори призначені для виміру максимального за деякий відрізок часу значення сигналу. Роботу пікового детектора можна пояснити на прикладі простої схеми, що складається з ідеальних діода та конденсатора (рис. 1.22).

Пікові детектори можуть працювати у двох різних режимах -- режимі спостереження й режимі зберігання. У режимі спостереження вхідний сигнал більше раніше запам'ятовуваного пікового значення, і вихідна напруга детектора відповідає вхідному доти, поки вхідна напруга не почне знижуватися. У цей момент пристрій переходить у режим зберігання, у якому буде залишатися доти, поки вхідна напруга знову не перевищить раніше досягнутого рівня. Пікові детектори схожі на пристрої вибірки й зберігання (ПВЗ) як за схемотехнікою, так і за робочими характеристиками. Помітимо, що хоча дана глава присвячена піковим детекторам, все сказане в ній відноситься й до детекторів мінімумів (простіше домовитися про те, що піки можуть бути позитивними і негативними й не винаходити нових термінів), оскільки для цього у вихідній схемі потрібно просто змінити полярність включення діода (рис. 1.23).

Рис. 1.22 Найпростіша схема пікового детектора

Рис. 1.23 Найпростіший детектор мінімумів

Показаний на рис. 1.22 простий детектор має декілька недоліків. По-перше, зафіксована вихідна напруга не залишається постійною. Як правило, вона спадає через розряд конденсатора. У схемах пікових детекторів із застосуванням ОП конденсатор може заряджатися вхідними струмами, які приводять до росту вихідної напруги в режимі зберігання. Це явище також називають спадом, що вносить деяку плутанину. Друга основна проблема пов'язана з кінцевим часом заряду конденсатора, що визначає мінімальну тривалість, імпульсу, який виявляється, максимальну швидкість наростання вихідної напруги й ширину смуги пропущення пікового детектора. При виборі ємності конденсатора доводиться враховувати дві суперечливих вимоги: зменшення швидкості спаду й підвищення швидкості наростання. Наприклад, більша ємність конденсатора гарантує меншу швидкість спаду, оскільки напруга на конденсаторі буде змінюватися відносно повільно, Однак по цій же причині знижується швидкість наростання, і схема стане нечутливої до коротких імпульсів. Властиво, це класична для інженера ситуація, у якій потрібно компромісне рішення, у цьому випадку, між швидкостями наростання (швидкодією) і спаду (точністю).

Рис. 1.24 Піковий детектор зі скиданням

Звичайно продетектована напруга повинна зберігатися тільки на протязі невеликого проміжку часу, після чого її необхідна скинути для того, щоб схема могла реєструвати наступні імпульси. Для цього або в схему вводиться ключ скидання, або збільшують швидкість спаду, додаючи резистор витоку (рис. 1.24).

1.14 Двокаскадні пікові детектори

Простий двокаскадний піковий детектор зображений на рис. 1.25. У цій схемі ОП А1 заряджає конденсатор до пікового значення, а ОП А2 виконує роль буферного повторювача. Коли вхідна напруга перевищує збережену на конденсаторі С, вихідна напруга ОП А1 збільшується й конденсатор заряджається через діод VD1. Таким чином, поки напруга росте, петля зворотного зв'язка ОП А1 замкнута через діод VD1, і напруга на конденсаторі С відслідковує вхідну. Якщо вхідна напруга починає зменшуватися, ОП А1 переходить у стан негативного насичення, оскільки ланцюг його зворотного зв'язку розмикається. Конденсатор С виявляється ізольованим від виходу і зберігає сталу на ньому напругу.

Рис. 1.25 Простий двохкаскадний піковий детектор

Однією з основних причин зміни заряду конденсатора в режимі зберігання є вхідні струми ОП, що протікають через конденсатор та змінюють накопичений на ньому заряд. У цій схемі конденсатор С з'єднаний із входами обох ОП, що ще більше змінює ситуацію, тому для даної схеми доцільно вибирати ОП з польовими входами та з малими вхідними струмами. Крім того, вхідний сигнал проходить через два ОП -- А1 і А2, і до вихідного сигналу детектора додаються дві напруги зсуву. Тому в багатьох випадках доводиться вибирати ОП з малими вхідними напругами зсуву. Так фактично піковим детектором є тільки ОП А1, в пристроях, призначених для реєстрації коротких імпульсів, швидкодіючим може бути тільки ОП А1, а в якості буферного можна вибирати ОП загального застосування. Перехідна характеристика ОП А1 із зворотнім зв'язком повинна бути добре демпфирована, оскільки у зворотному випадку при швидких змінах вхідної напруги на його виході з'являються викиди перерегулювання, що створюють ілюзію більшого пікового сигналу (особливо це актуально для швидкодіючих ОП, які, як правило, погано працюють на ємнісне навантаження, в нашому випадку -- конденсатор).

1.15 Обмежники

Обмежниками називаються схеми, вихідна напруга яких не може перевищувати певної величини. Їх іноді також називають фіксаторами й застосовують для захисту ланцюгів від підвищеної напруги. Вхідний і вихідний сигнали фіксатора показані на рис. 1.26.

У показаних тут простих схемах обмеження вихідної напруги ОП або інших подібних пристроях здійснюється за допомогою стабілітрона або звичайного діода. Слід дотримуватися обережності при використанні подібних схем, оскільки вихідний струм ОП при обмеженні сигналу максимальний. Це значить, що ОП повинен витримувати коротке замикання на виході протягом необмеженого часу та при максимальній робочій температурі. Крім того, параметри фіксуючих діодів повинні бути такими, щоб вони самі не опинилися виведеними з ладу максимальним струмом джерела сигналу. Таким джерелом часто буває ОП, що помітно нагрівається, якщо опиняється в стані обмеження довше декількох секунд. Відповідно, особливої обережності треба дотримуватись в ситуаціях, коли необхідні мінімальні дрейфи зсуву.

У схемі на рис. 1.26, а для установки позитивного та негативного рівня обмеження застосовуються два зустрічно включених стабілітрона. Схема на рис. 1.26, б призначена для обмеження тільки від'ємних напруг, тому один зі стабілітронів замінений на звичайний діод. Нарешті, у схемі на рис. 1.26, в стабілітрони відсутні зовсім; при цьому джерела напруг обмеження U1 та U2 повинні бути здатні поглинути граничний вихідний струм ОП, що звичайно становить кілька десятків міліамперів.

1.26 Найпростіші схеми обмежників: а) двосторонній на стабілітронах;

б) односторонній на стабілітроні; б) діодна фіксація на заданих рівнях.

На рис. 1.27 приведена схема простого інвертуючого підсилювача-обмежника.

У цього способу є два принципових недоліки.

Ємність pn - перехода. Швидкодія схеми знижується через вплив ємностей переходів стабілітронів, які можуть досягати десятків пФ, при цьому треба враховувати дві обставини. По-перше, ширина смуги звужується через шунтуючу дію цих ємностей, включених паралельно резистору R2. По-друге, збільшується час перемикання обмежника через перезаряд ємностей переходів, що погіршує параметри схеми при обмеженні швидкоплинних сигналів.

Струми витоку. У стабілітронів вони досить великі, що може позначитися на роботі деяких чутливих схем, наприклад, інтеграторів.

Рис. 1.27 Інвертуючий підсилювач-обмежувач зі стабілітроном.

Размещено на Allbest.ru

...