Усилитель разности напряжения

Это усилитель, в котором выходное напряжение пропорционально разности входных сигналов U_вх2 и U_вх1 (рис.6).). Его условное обозначение и принципиальная схема на ОУ приведены на рис..:

Установим связь между выходным и входными сигналами этой схемы. Для узла «а» по первому закону Кирхгоффа можно записать, что

I_вх = I_ос + I_оу

Если считать, что ОУ идеальный т.е. I_оу=0 и U⁺_вх=U^–_вх = U_вх+ = U_вх2 R₂/(R₁+R₂), то записав токи по закону Ома (I_вх= (U_вх1- U^–_вх)/R₁ а I_ос= (U^–_вх - U_вых)/R₂) получим выражение связывающее выходное и входное напряжения примет вид

U_вых=R₂/R₁(U_вх2-U_вх1).

Идеальный разностный усилитель при подаче на оба входа одинаковых напряжений, т.е. U_вх1 = U_вх2, имеет на выходе напряжение равное нулю. Такие входные напряжения называются синфазными U_cc. В общем случае синфазный сигнал представляет собой среднее значение двух входных напряжений, т.е. U_cc= (U_вх1 + U_вх2)/2. Если U_вх1=-U_вх2, то U_cc= 0.

Разность двух входных напряжений называется дифференциальным сигналом U_дс=U_вх2-U_вх1. Поскольку усилитель разности усиливает только разностный (дифференциальный) сигнал, то такой усилитель часто называют дифференциальным усилителем.

Дифференцирующий усилитель

, это устройство, в котором входное и выходное напряжение связано соотношением (рис.) U_вых=KdU_вх/dt. (7) Простейшие дифференцирующие цепи (например RC - цепь) выполняют эту операцию со значительными погрешностями, причем с повышением точности дифференцирования существенно уменьшается уровень выходного сигнала.

Схема дифференцирующего усилителя на ОУ приведена на рис.7. Установим связь между выходным и входным напряжениями этой схемы. Для узла «а» по первому закону Кирхгоффа можно записать, что

I_вх = I_ос + I_оу Если считать, что ОУ идеальный, т.е. I_оу=0 и U⁺_вх=U^–_вх = 0, то записав токи по закону Ома (I_вх= I_с = Сd(U_вх- U^–_вх)/dt, а I_ос= (U^–_вх - U_вых)/R₂) получим выражение связывающее выходное и входное напряжения

U_вых=-R_осCdU_вх/dt, где R_осС= t - постоянная времени дифференцирующего усилителя.

Коэффициент передачи дифференцирующего усилителя определяется выражением

К_(jw) = U_вых/ U_вх = jwt =K_(w)e ^jj(w) , K_(w) = wt - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); j_(w) = p/2 - фазово- частотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи.

Интегрирующий усилитель

Это устройство, в котором входное и выходное напряжение связано соотношением

.

Простейшим интегрирующим цепям (например RC - цепям) аналогичны недостатки предыдущего устройства.

Схема интегрирующего усилителя на ОУ приведена на рис.8. Установим связь между выходным и входным напряжениями этой схемы. Для узла «а» по первому закону Кирхгоффа можно записать, что

I_вх = I_ос + I_оу

Если считать, что ОУ идеальный, т.е. I_оу=0 и U⁺_вх=U^–_вх = 0, то, записав токи по закону Ома (I_вх=(U_вх -U^–_вх)/R₂, а I_ос= I_с = Сd(U^–_вх - U_вых)/dt) получим выражение связывающее выходное и входное напряжения

,

где RС= t - постоянная времени интегрирующего усилителя.

Коэффициент передачи интегрирующего усилителя определяется выражением

К_(jw) = U_вых/ U_вх = (jwt)^-1 =K_(w) e ^jj(w),

где K_(w) =(wt)^-1 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); j(w) =- p/2 - фазово-частотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи интегрирующего усилителя.

 

Компараторы напряжения

Компараторы напряжений это устройства, которые предназначены для сравнения двух сигналов. Они имеют два входа. Один из входов предназначен для подачи исследуемого сигнала U_x, а другой для подачи опорного напряжения U_оп.

В момент времени, когда исследуемый сигнал U_x сравнивается с пороговым напряжением U_пор, который зависит от величины опорного напряжения U_оп=F(U_пор), компаратор изменяет свое состояние. Состояние компаратора определяется величиной выходного напряжения, которое может принимать два значения: U_вых=U⁰_вых или U¹_вых.

Работу компаратора обычно характеризуют аналитически, в виде неравенств или амплитудной характеристикой.

На рис.10.1 приведена схема неинвертирующего компаратора (рис10.1а), его аналитическое выражение (рис.10.1б) и амплитудная характеристика (рис.10.1в).

а) б) с)

Рис.10.1

На рис.10.2 приведена схема инвертирующего компаратора (рис10.2а), его аналитическое выражение (рис.10.2б) и амплитудная характеристика (рис.10.2в).

а) б) с)

Рис.10.2

В качестве компараторов обычно используют операционные усилители (рис.10.3). Входные (U_вх+, U_вх-) и выходное (U_вых) напряжения ОУ связаны соотношением:

U_вых = К_оу (U_вх+ - U_вх-), (1)

где К_оу - коэффициент усиления операционного усилителя.

В связи с тем, что К_оудостаточно велик (10⁵ — 10⁶),. линейный режим имеет место только при малых входных сигналах, когда диапазон входных не превышает долей или единиц милливольта.

При отсутствии отрицательной обратной связи или при введении положительной обратной связи схемы на ОУ обладают нелинейными свойствами и выполняют функции компараторов, генераторов сигналов и т. п.

При достаточно больших значениях входного дифференциального напряжения имеет место режим ограничения выходного напряжения, т.е:

Uвых = U¹_вых ≈ Е_п⁺ sign U_вх+, при U_вх+ > U_вх-, (1.1)

U⁰ _вых ≈ Е_п^¯ sign U_вх+, при U_вх+ < U_вх-,

Итак, благодаря большому коэффициенту усиления ОУ имеют амплитудную характеристику аналогичную характеристике компаратора.

Недостатком ОУ при использовании их в качестве компараторов является невысокое быстродействие переключения (из-за сложности схемы и большого числа активных элементов).

Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ.

Основным динамическим параметром компаратора является время переключения t_п. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения U_вх, подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения U_вх над опорным напряжением. На рис. 8 приведены переходные характеристики компаратора mА710 для различных значений дифференциального входного напряжения U_д при общем скачке входного напряжения в 100 мВ. Время переключения компаратора t_п можно разбить на две составляющие: время задержки t_з и время нарастания до порога срабатывания логической схемы t_н. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.

Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания (например, +/-13 В для ОУ типа 140УД7, работающего от источников +/-15 В). В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, заземлен, и выходной сигнал снимается с "открытого коллектора". Выходные транзисторы некоторых типов компараторов, например, 521СА3 или LM311 имеют открытые, т.е. неподключенные, и коллектор и эмиттер. Две основные схемы включения компараторов такого типа приведены на рис. 5.На рис. 5а выходной транзистор компаратора включен по схеме с общим эмиттером. При потенциале на верхнем выводе резистора равном +5 В к выходу можно подключать входы ТТL, nМОП- и КМОП-логику с питанием от источника 5 В. Для управления КМОП-логикой с более высоким напряжением питания следует верхний вывод резистора подключить к источнику питания данной цифровой микросхемы.

Если требуется изменение выходного напряжения компаратора в пределах от U⁺_пит до U^-_пит, выходной каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (рис. 5б). При этом заметно снижается быстродействие компаратора и происходит инверсия его входов.