Аналоговые устройства на операционных усилителях

где tН = R1C1 – постоянная времени.

В области частот, когда влиянием конденсатора С1 можно пренебречь, а спад K0 ещё незначителен, коэффициент усиления определяется, как и раньше, выражением (9).

Для неинвертирующего усилителя в области нижних частот коэффициент передачи определяется произведением коэффициентов передачи цепи R1C1 и собственно коэффициентом усиления усилителя, то есть дв

умя постоянными времени: t1 = R1C1 и t2 = R2C2:

. (26)

При использовании ОУ с однополярным источником питания на неинвертирующий вход необходимо подать напряжение, равное половине напряжения питания (рис. 10). Благодаря глубокой ООС по постоянному току потенциал неинвертирующего входа, а значит, и выхода установится близким к половине напряжения питания, чем будет обеспечено получение максимально возможного неискажённого симметричного выходного сигнала. Входное сопротивление этой схемы на низкой частоте определяется параллельным соединением сопротивлений R1, R2, поэтому постоянная времени входной цепи определится как t1 = (R1 ||R2) C1.

Задача подготовки к моделированию для приведённых схем усилителей переменного напряжения тривиальна и сводится к расчёту требуемого коэффициента усиления в области средних частот. После выбора номиналов резисторов рассчитываются ёмкости конденсаторов по заданной fН.

Для определённости зададим коэффициент усиления в области средних частот KU = 50 и fН = 100 Гц, однополярное напряжение питания +Е = 30 В и входное сопротивление RВХ = 100 кОм (рис. 9). Поскольку ёмкость конденсатора С3 зависит от сопротивления нагрузки, её можно не рассчитывать и исключать из схемы при моделировании.

Для минимизации напряжения смещения необходимо выбрать резисторы из условия:

. (27)

Используем для построения усилителя ОУ типа К140УД7, имеющий следующие параметры: K0 = 105, RВХ.Р > 400 кОм, IВХ = 200 нА, разность входных токов D IВХ =50 нА.

Вследствие большого петлевого усиления входное сопротивление, что очевидно, будет определяться параллельным соединением резисторов R1 и R2 (3). Поэтому выберем R1 = R2 = 200 кОм. Тогда R4 = 100 кОм (27). Следовательно, согласно (1), сопротивление R3 = 2,04 @ 2 [кОм].

Если разделительный конденсатор один, для определения его номинала можно воспользоваться следующим выражением:

.

В случае когда конденсаторов несколько, пользуются понятием коэффициента частотных искажений МН, который показывает, на сколько спадает модуль АЧХ на заданной частоте. Обычно принимают МН = 1,4. Кроме того, результирующий коэффициент частотных искажений для нескольких разделительных конденсаторов можно представить как:

, (28)

где МН i – коэффициент частотных искажений, обусловленный каждой постоянной времени.

Можно принять МН1 = МН2 = . Тогда ёмкости конденсаторов С1 и С2 можно найти следующим образом:

25,4 [нФ];

.

3. В сущности, вся процедура моделирования сведётся к построению ЛАЧХ в режиме «AC Sweep» и проверке точности расчётов.

4. Необходимо отметить, что при наличии разделительных конденсаторов затруднительно применять директиву «Transfer Function» для определения входного и выходного сопротивлений. Можно рекомендовать следующий способ для измерения входного сопротивления. Последовательно с источником сигнала необходимо включить резистор (R5), сопротивление которого необходимо варьировать, например, по директиве «Parametric». При выполнении равенства R5 = RВХ коэффициент передачи усилителя падает в два раза. В общем случае можно записать:

,

где KU – коэффициент усиления при R5 = 0;

K!U– коэффициент усиления при R5 > 0.

5. Выпрямители и детекторы сигналов на ОУ

В схемах выпрямления и детектирования сигналов напряжение открывания p-n перехода составляет 0,1¸0,3 В для германия и 0,6¸0,7 В для кремния. В некоторых случаях это может вносить недопустимую погрешность в режим детектирования. Схема однополупериодного выпрямителя и вольт-амперная характеристика вентиля (диода) представлены на рисунке 11а, б.

В тех случаях, когда необходимо осуществлять детектирование малых сигналов с большой точностью, может быть рекомендована простая схема однополупериодного выпрямителя сигнала на ОУ (рис. 11в).

В этой схеме диод включён в цепь ООС, что позволяет снизить его пороговое напряжение в K0 раз. Реально удаётся получить порог открывания диода примерно 1 мВ, однако в большинстве случаев это напряжение несколько больше и определяется напряжением сдвига нуля ОУ.

Работает схема выпрямителя следующим образом (по отношению к выходу 1). Для положительных полуволн сигнала выходное напряжение UВЫХ1 близко к нулю, так как диод VD2 в это время закрыт отрицательным напряжением на выходе ОУ, а левый по схеме вывод резистора R3 подключён к точке виртуального нуля. Для отрицательной полуволны входного сигнала диод открывается и выпрямитель работает как инвертирующий усилитель, у которого UВЫХ.1 = – UВХ R3 /R1. Для положительных полуволн входного сигнала выходное напряжение, отличное от нуля, появится на выходе 2: UВЫХ.2 = – UВХ R4 /R1. В результате диод приобретает характеристику, соответствующую почти идеальному диоду (рис. 11б) (кривая 2). Даже в тех случаях, когда нужно только выпрямленное напряжение одной полярности, второй диод во встречном включении в цепи обратной связи ставить желательно, так как это симметрирует режим работы ОУ и уменьшает искажения, обусловленные тем, что для одной из полуволн сигнала усилитель оказывается разомкнутым.

Используя современные ОУ с частотой f1 = (100¸1000) МГц, можно проектировать высокоточные и высокочувствительные детекторы радиочастотного диапазона.

Библиографический список

1. Активные RC-фильтры на операционных усилителях / пер. с англ.; под ред. Г.Н. Алексакова. – М.: Энергия, 2008. – 64 с.: ил.

2. Алексенко, А.Г. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. – М.: Радио и связь, 2010. – 256 c.

3. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: справ. пособие / Н.А. Барканов [и др.]; под ред С.В. Якубовского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 2009. – 432 с.: ил. – (Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).

 Скачать реферат