Підсилювачів. Компаратори

Для використання операційних підсилювачів в аналогових пристроях (підсилювачі, генератори гармонічних коливань та ін.) вхідний сигнал пови­нен мати такий рівень, щоб використовувати нахилені ділянки кривих передавальної характеристики ОП (див. рис. 6.2, б), коли вихідна напруга пропор­ційно залежить від вхідної. В імпульсному режимі роботи рівні вхідного сиг­налу перевищують значення, які відповідають лінійній області передавальної характеристики. При цьому вихідна напруга досягає або . Ці рівні вихідної напруги с сталими (сприяюча умова для формування незмінної вершини імпульсу) і майже дорівнюють напругам джерел живлення та операційного підсилювача. Незмінність означених рівнів за величиною обумовлена незмінністю за величиною гори­зонтальних ділянок кривих передавальної характеристики ОП, які відповідають режиму повністю закритого (режим відсічки) або повністю відкритого (режим на­сичення) транзистора вихідного каскаду (найчастіше емітерний повторювач) операційного підсилювача.

Таким чином, операційний підсилювач, як і поодинокий біполярний транзистор, може працювати як у лінійному, так і в імпульсному режимі.

Рис. 8.4

Імпульсні пристрої на ОП працюють в компараторному режимі, коли порівнюються дві напруги, що надходять до входів (або на один вхід) підсилювача – вхідна, що змінюється, і опорна. Опорна напруга позитивної або негативної полярності незмінна за величиною. Коли вхідна напруга досягає рі­вня опорної, на виході ОП відбувається зміна полярності напруги, наприклад, з на .

Компаратори напруги. Компараторне ввімкнення ОП використовують для порівняння напруги джерела сигналів U _дз опорним сигналом U ₀. Компаратор­ний режим ОП частіше застосовують без зовнішніх кіл негативного зворотного зв'язку, подаючи порівнювані сигнали на один або обидва входи підсилювача.

Для порівняння різнополярних напруг на вході використовують одновходовий компаратор (рис. 8.4, а), в якому опорний сигнал та той, що досліджується, надходять до інвертуючого входу ОП в інтервалі часу 0 – t ₁(рис. 8.4, б) виконується нерівність | U _д|< | U ₀|, тому U _вх > 0 і напруга на виході компаратора (напруга на вході, що її інвертує ОП, і на його виході різнополярні). В момент часу t ₁вхідний сигнал досягає порогового значення U _д = U _вх.пор = U ₀ R ₁ /R ₂.

Після цього (якщо t > t ₁ ) перевищує його за а6солютним значен­ням, яке відповідає негативному потенціалу на інвертуючому вході ОП (U _вх < 0), що супроводжується перемиканням компаратора в інший стан, в якому . Моментові часу, коли виконується рівність U _д= U _вх.пор, відповідає нестійкий лінійний режим підси­лювача компаратора. При цьому нахил передавальної характеристики визначається власним коефіцієнтом підсилення К _{п U} . Тому відсутність в ОП негативного зворотного зв'язку сприяє підвищенню швидкості перемикання компаратора.

В двовходовому компараторі (рис. 8.4, в), сигнали, які порівнюють, надходять до обох входів ОП. Тому стан виходу компаратора (полярність вихідної напруги) визначається великою за рівнем напругою од­ного з входів, що відображено передавальною характеристикою ком­паратора (рис. 8.4, г).При рівності вхідних напруг (момент часу t ₁ ) вихідна напруга компаратора дорівнює нулю аналогічно ро6оті інтегрального ОП. рівень вхідної напруги компаратора 06межуєтьсяприпустимою синфазною напругою ОП.

Для по6удови генераторів релаксаційних коливань операційний підсилювач в компараторному режимі охоплюють позитивним зворотним зв'язком. Схема компаратора з ланкою позитивного зворот­ного зв'язку R 1, R 2, ввімкненою між виходом операційного підси­лювача та неінвертуючим входом, зо6ражена на рис. 8.5, а, а його передавальна характеристика – на рис. 8.5, б. Передавальна харак­теристика має вигляд пускової характеристики гістерезисного типу, яка властива пристроям з позитивним зворотним зв'язком та двома стійкими станами рівноваги. Пристрій стрибком переходить у стан під впливом вхідної напруги U _вхта досягненням ним напруги (порогу) спрацьову­вання U _спр.Повернення пристрою в початковий стан відбувається при зменшенні U _вхдо напруги (порога) відпускання U _відп.Ширина області гісте­резису характеризується напругою гістерезису U _г = U _спр– U _відп. Ділянки АА' та ВВ' гістерезисної характеристики відповідають двом стійким станам рівноваги схеми, а точки А' і В' – пороговим значенням вхідної напруги. Прийнявши

U ₀= U _вх – U _сп= 0, в схемі на рис. 8.5, а для порогових напруг запишемо:

(8.11)

(8.12)

Скориставшись рівністю (8.11) та (8.12) для напруги гістерезисну, отримаємо

(8.13)

Якщо в схемі на рис. 8.5, а джерело опорної напруги відсутнє (нижній кінець резистора R 1заземлений), то передавальна гістерезисна характеристика симет­рична відносно осі ординат (рис. 8.5, в). При цьому напругу спрацьовування, відпускання та гістерезису можна обчислити з формул (8.11) – (8.13), прийняв­ши в них U _сп = 0.

Основ ним показником операційних підсилювачів, що працюють в імпульс­ному режимі, є їх швидкодія, яка оцінюється затримкою спрацьовування та ча­сом зростання вихідної напруги. Найбільшу швидкодію мають спеціалізовані операційні підсилювачі, що отримали загальну назву "Компаратори", які при­значені для імпульсного режиму роботи. Затримка спрацьовування (час затрим­ки вихідного імпульсу) таких мікросхем менше 1 мкс, а час зростання вихідної напруги – соті частини мікросекунди.

1,27

Генератори лінійно–змінної пилкоподібної напруги призначені для отримання напруги, яка за деякий час зростає або зменшується за лінійним або близьким до лінійного законом. У пристроях промислової електроніки генера­тори напруги, що змінюється лінійно, використовують у пристроях порівнян­ня, які фіксують момент досягнення напругою заданого рівня, для часової за­тримки і розширення імпульсів, для отримання часової розгортки ЕПТ і т. д.

Пилкоподібна напруга буває під час заряджання або розряджання конден­сатора С через резистор R. Розглянемо найпростішу схему генератора лінійно–змінюваної напруги, в якій транзистор виконує функції ключового елемента. Схема генератора, в якому паралельно конденсатору інтегруючого RС–колаввімкнений комутуючий транзистор VT, показана на рис. 8.25, а. У вихідному стані транзистор насичений за рахунок вибору співвідношення між резисто­рами R_B та R таким, щоб R_B ≤ h _{21 Е} R. Напруга на конденсаторі, що дорів­нює напрузі U_{С нас}на колекторі насиченого транзистора, мала.

Рис. 8.25

За подаванням до бази транзистора в момент часу t ₁ (рис. 8.25, б) керуючого імпульсу негативної полярності з амплітудою, достатньою для закривання транзи­стора, останній входить у режим відсічки (закривання транзистора – ключ розі­мкнутий),і конденсатор С заряджається у колі + Е_С – R – С – (– Е_С),Напру­га на конденсаторі, наближаючись до асимптотичного рівня Е_С,збільшується за законом

U_C = (Е_С – І_С0 R_С)(1 – е ^{– t /RС}) ≈ Е_С (1– е ^{–t /RС}) (8.49)

По закінченні вхідного керуючого імпульсу транзистор відкривається, однак його робоча точка залишається в активній області, оскільки напруга на колекторі транзистора в перший момент дорівнює амплітудному значенню напруги U_т на конденсаторі на виході схеми. Після цього конденсатор розряджається через ді­лянку емітер – колектор транзистора і останній входить у режим насичення (ключ замкнутий). Далі процес повторюється.

З розглянутого процесу видно, що прямий хід пилкоподібної напруги з три­валістю t _прформується в схемі, коли ключ розімкнутий, з зворотний хід з три­валістю t _зв– коли замкнутий. Таким чином, для реалізації цього принципу генератор мусить мати зарядний або розрядний пристрій, конденсатор, що інтегрує, та ключ. Імпульси напруги пилкоподібної форми можуть бути як позитивної, так і негативної полярності. На рис. 8.25, б показана реальна форма пилко­подібного імпульсу позитивної полярності. Імпульс негативної полярності с й дзеркальним відображенням останнього відносно часової осі.

Основні параметри напруги, що змінюється лінійно: тривалість прямого (робочого) ходу t _пр, тривалість зворотного ходу t _зв період повторення Т, амплітуда імпульсу U_т. Оскільки строго лінійної зміни напруги U (t)отримати неможливо, ступінь відхилення її від лінійного закону характеризується коефіцієнтом не лінійності

(8.50)

де та – відповідно швидкість зміни напруги на початку та в кінці робочого ходу. В чекаючому режимі ще є тривалість паузи t _ппротягом якої U (t)= const.

У практичних схемах генераторів лінійно–змінної напруги t _пр, дорівнює від десятих частин мікросекунди до десятків секунд, t _зв– від 1 до 20 % від, t при U_т – від одиниць до тисяч вольт. Значення ε також залежить від призначення схеми й досягає (наприклад, в осцилографії) 10 %.

Важливим параметром, що характеризує схему генератора лінійно–змінної напруги, с коефіцієнт використання напруги джерела живлення Е,під яким розуміють відношення

ξ = U_т / Е. (8.51)

Узявши похідні dU _С / dt від виразу (8.49), коли t = 0 та t = t _пр, і підставивши їх у формулу (8.50), отримаємо коефіцієнт нелінійності

(8.52)

Оскільки за t = t _пр U _С = U_т,то згідно з рівнянням (8.49)

або з урахуванням виразу (8.51)

(8.53)

Отже, високий ступінь лінійності пилкоподібної напруги (мале ε) мож­ливий за умови Е_С >> U_т. Це призводить до поганого використання напру­ги джерела живлення. Наприклад, коли U_т = 10 В, а ε = 1 %, напруга дже­рела живлення має бути 1000 В.

Напруга на конденсаторі U _С зв'язана з протікаючим в ньому струмом і_С відомим співвідношенням

У випадку і_С = І = const напруга на конденсаторі U _С = /t / С = kt змінюється в часі за лінійним законом. Отже, щоб напруга па конденсаторі змі­нювалася не за експоненційним законом, а строго пропорційно часу, заряд­ний струм конденсатора має бути сталим. для цього можна застосувати струмостабілізуючі елементи, струм яких не залежить від прикладеної напру­ги. Для стабілізації струму заряджання або розряджання конденсатора в генераторі напруги, яка змінюється лінійно, застосовують негативний зворот­ний зв'язок.

Розглянемо конкретні схеми генераторів лінійно–змінної напруги в інтегральному виконанні. Як активні ключові елементи у проектуванні таких генераторів в наш час найбільш широко використовують операційні підсилювачі, що мають велику функціональну надмірність. Щоб вихідна напруга була пропорційною інтегралові вхідної напруги, в ОП вмикають конденсатор в колі негативного зворотного зв'язку (див. п. 6.8). Тому генератори пилкоподібної напруги на ОП будують за принципом генераторів із зворотним зв'яз­ком, що інтегрують сталу напругу джерела живлення, яке е для них вхідним.

Рис. 8.26

На рис.8.26, а показана схема генератора пилкоподібної напруги з RС–­ колом, що інтегрує і ввімкнене у коло негативного зворотного зв'язку ОП. Схемою керують імпульси U _заппозитивної полярності, які подають до інвертуючого входу підсилювача через діод VD, що кожного разу від’єднує схему (діодний ключ розімкнутий) від джерела керуючих імпульсів на час тривалості імпульсу. До подавання керуючого імпульсу U _зап(інтервал часу 0 – t ₁, рис. 8.26, б) напруга на інвертуючому вході позитивна, але трохи перевищує нульовий рівень. Напруга на інвертуючому вході = βЕ_С,де β = R ₂/(R ₁+ R ₂).Значення р за рахунок обраного співвідношення між опорами резисторів R 1, та R 2задається таким чином, щоб рівень забезпечував стан ОП в режимі обмеження, коли U _вих≈ Е_С. Конденсатор інтегратора зарядже­ний до напруги джерела Е_С.

Позитивний імпульс, впливаючи на вхід генератора в момент часу t ₁, закриває діод VD, напруга збільшується при цьому до рівня, що забезпечує перехід підсилювача в активний режим, а напруга на виході стрибком зменшується на невелику величину. Конденсатор С починає розряджатися через резистор R. Оскільки ОП має скінчене значення коефіцієнта підсилення К _{п U} , то струм розряджання конденсатора, ввімкненого в коло негативного зворотного зв'язку, не є строго сталим і в процесі роз­ряджання трохи зменшується. Тому напруга дещо збільшується, що викликає на виході в К _{п U} разів більше зменшення вихідної напруги. Якщо розрахункове співвідношення між сталою часу інтегруючого RС–колата тривалістю робочого ходу задовольняє рівність

RС ≈ 0,5 t _пр, (8.54)

то за час імпульсу конденсатор повністю розряджається до нуля і перезаряджається до напруги – Е_С.

Після закінчення в момент часу t ₂, керуючого імпульсу діод відкривається, напруга U _вхстрибкоподібно зменшується до вихідного рівня, а конденсатор швидко розряджається через відкритий діод та вихід підсилювача до нуля й заряджається до початкової напруги. Час відновлення генератора

t _в5 С (r _д + R _вих), (8.55)

де r _д– опір відкритого діода; R _вих – вихідний опір ОП. Коефіцієнт нелінійності пилкоподібної напруги

ε = 1/ К _{п U} (8.56)

визначається підсилювальними властивостями ОП, а напруга протягом робо­чого ходу лінійно зменшується.

Генератор пилкоподібної напруги, яка лінійно зростає, можна створити, якщо інтегруюче RС–коловвімкнути в коло позитивного зворотного зв'язку (рис. 8.27, а). У відсутності вхідного керуючого імпульсу U _зап(інтервал часу 0 – t ₁, рис. 8.27, б) U _вх, діод VD відкритий, напруга на неінвертуючому вході = 0 і конденсатор розряджений (U _С (0) = 0). Напруга на інвертуючому вході (за відповідним чином розрахованими опорами подільника на резисторах R2, R3, R4) задається такого рівня, при якому ОП перебуває в режимі обмеження з U _вих = – Е_С.

Вхідний керуючий імпульс U _зап,впливаючи на вхід схеми в момент ча­су t ₁ закриває діод VD. Конденсатор С з урахуванням того, що U _С(0) ≈ 0 та U _вих =– Е_С,починає заряджатися струмом І_С =і ₁ – і ₂ =Е / R ₁ – Е/R ₅. Якщо відповідним чином розрахувати параметри елементів схеми генератора, щоб Δ і ₁ = Δ і ₂, то І_С = const, конденсатор заряджається строго постійним струмом. При цьому напруга Uвих збільшується і в момент закінчення роб 0­чого ходу досягає значення + Е_С. В момент закінчення керуючого імпульсу (t = t ₂) діод різко відкривається і конденсатор з великою швидкістю розряджається. Вихідна напруга зменшується до рівня – Е_С. Час відновлення ви­хідного стану схеми

t _в= 5 С (r _д+ R _вих), (8.57)

де r _д– опір відкритого діода VD; R _вих– вихідний опір джерела керуючих імпульсів.

1,21

Дата добавления: 2015-11-16