Файл: конспект лекций схемотехника.pdf

неінвертувального входу необхідно підключати такий самий резистор R, як це робиться і у звичайних підсилювачах. Найкращих результатів досягають при використанні ОП із польовими транзисторами у вхідних каскадах та ланцюгом балансування нуля.

Для зменшення похибки, зумовленої дрейфом напруги зміщення, необхідно або будувати інтегратор на базі прецизійного ОП, або застосовувати алгоритми автоматичної корекції.

Оскільки uвих t є також напругою, до якої

заряджений конденсатор на початковий момент часу, це створює певні труднощі під час практичної реалізації схем інтеграторів – конденсатор заряджається постійним вхідним струмом ОП, що зрештою призводить до переходу в режим насичення. Щоб уникнути цього явища, використовують два методи боротьби:

періодичного розряду ємності у результаті замикання ключа SA1 , що стоїть паралельно конденсатору (рисунок

9.12);

забезпечення умов, за яких вхідний струм ОП був би значно меншим струмів, обумовлених вхідним сигналом.

SA1

С

R DA1

Рисунок 9.12 – Інтегратор зі схемою встановлення нульової початкової умови

221

9.7Диференціатор

Диференціатором називають пристрій, у якого вихідна напруга пропорційна диференціалу вхідної напруги. Схема простого диференціатора складається із резистора і конденсатора (рисунок 9.13.), але на відміну від інтегратора вони міняються місцями.

Якщо напруга змінюється в часі, то виникає вхідний струм

Iвх C dUвх , dt

що врівноважується струмом, що проходить у ланцюзі зворотного зв'язку I Uвих R .

Рисунок 9.13 – Диференціатор

При цьому вихідна напруга пропорційна похідній від вхідної напруги:

Uвих RC dUвх . dt

Практична реалізація диференціюючої схеми, показаної на рисунку 9.13, пов'язана зі значними труднощами з таких причин:

по-перше, схема має чисто ємнісний вхідний опір, у цьому випадку, якщо джерелом вхідного сигналу є інший операційний підсилювач, то це може викликати його нестійкість;

по-друге на роботу простого диференціатора істотно

222

впливають високочастотні вхідні шуми (при ідеальному диференціюванні коефіцієнт підсилення зростає пропорційно частоті вхідного сигналу), що погіршує співвідношення сигнал/шум;

по-третє, в цій схемі у петлі зворотного зв'язку ОП підключена інерційна ланка першого порядку, що створює в області високих частот запізнення за фазою до 90°, цей фазовий зсув додається до фазового запізнення операційного підсилювача, що може становити або навіть перевищувати 90°, внаслідок цього схема стає нестійкою.

Усунути ці недоліки дозволяє підключення послідовно із конденсатором додаткового резистора R1 (на рисунку 9.13

показано пунктиром). Резистор R1 , по-перше, зменшує

рівень високочастотних шумів на виході, по-друге, запобігає самозбудженню перетворювача і, по-третє, обмежує вхідний струм та напругу інвертувального входу ОП за швидких змін вхідної напруги, коли вихідна напруга не встигає відповідним чином відреагувати на нього через обмежену швидкодію ОП.

Резистор R1 обмежує діапазон робочих частот

диференціатора. Такий перетворювач диференціює вхідні сигнали лише тих частот, за яких опір конденсатора С

9.8Логарифмічні схеми

Логарифмічні та антилогарифмічні схеми використовують для виконання аналогового множення й ділення, стиску (компресії) сигналу, обчислення логарифмів і показових функцій та в інших пристроях.

223

9.8.1Логарифматор

Логарифматором (логарифмічним підсилювачем) називають пристрій, у якого вихідна напруга пропорційна логарифму вхідної напруги. Для одержання логарифмічної характеристики у коло негативного зворотного зв'язку операційного підсилювача необхідно ввімкнути елемент, що має логарифмічну ВАХ. Таким елементом є напівпровідниковий p n -перехід.

Відомо, що прямі струми й напруги напівпровідникового діода пов'язані таким співвідношенням:

I I0 eU / т 1 ,

де I0 – зворотний струм насичення p n -переходу;

т kТ – тепловий (термічний) потенціал; qe

k – стала Больцмана ( k 1,38 10 23 Дж/К); qe – заряд електрону ( qe 1, 6 10 19 Кл);

Т – абсолютна температура.

За Т 300 K тепловий потенціал т 26 мВ , тому за

Вирази, що визначають струм діода і колекторний струм транзистора, ідентичні. Тому все, що стосується

струму I Д , можна застосовувати і до струму колектора IК .

Принцип дії логарифмічного перетворювача полягає у використанні експоненціальної залежності струму I через відкритий p n -перехід від напруги U на цьому переході.

224

Найбільш простий спосіб реалізації логарифматора це використання операційного підсилювача з діодом у ланцюзі зворотного зв'язку (рисунок 9.14).

При ідеальному ОП струм через діод буде дорівнювати I Uвх R , а напруга на діоді U Uвих . Тоді

вихідна напруга логарифмічного підсилювача буде дорівнювати

VD

Рисунок 9.14 – Логарифмічний підсилювач

Діапазон можливих значень вхідної напруги, у межах якої співвідношення (9.36) виконується досить точно, обмежене знизу необхідністю додержання умови I I0 ,

хоча прямий струм діода може набувати досить малих значень (порядку одиниць наноампер). Верхня межа визначається наявністю паразитного резистивного опору діода, оскільки спад напруги на ньому при великому струмі призводить до істотного спотворення логарифмічної характеристики. Тому задовільна точність логарифмічного підсилювача з діодом може бути одержана у діапазоні зміни вхідної напруги, що становить 102–103 (у межах двох–трьох декад). Окрім того, завдяки залежності т від температури

схема також досить чуттєво реагує на зміну температури довкілля.

225

Застосування транзистора замість діода дозволяє значно розширити динамічний діапазон логарифмічного пристрою. Логарифмувальні перетворювачі на біполярних транзисторах мають кращі характеристики. При цьому можливі два види підключення транзистора – із заземленою базою (рисунок 9.15 а) і використання транзистора у діодному режимі транзистора (рисунок 9.15 б).

логарифмічному підсилювачі

Принцип дії логарифмічного підсилювача із транзистором у колі зворотного зв’язку полягає у використанні експоненціальної залежності між струмом

де I0К – тепловий (зворотний) струм колектора.

Найчастіше на практиці використовують схему логарифмічного підсилювача, показану на рисунку 9.16, оскільки це забезпечує найбільший діапазон зміни вхідної напруги у порівнянні з іншими можливими варіантами. При ідеальному ОП потенціал вузла а дорівнює нулю, тому залежність вихідної напруги від вхідної з урахуванням (9.37) має вигляд

226