Теоретические основы лабораторной работы № 10.

Интегральные операционные усилители являются универсальными элементами, на основе которых можно строить различные функциональные узлы аналоговой аппаратуры. Эта универсальность достигается за счет избыточности активных элементов в их схемах. На практике наиболее часто ОУ используются с обратными связями (ОС), при наличии которых коэффициент передачи устройства определяется только отно­шением значений элементов цепи ОС. При соответствующем выборе внешних элементов ОУ может осуществлять усиление, сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование сигналов, а также формировать различные функциональные зависимости.

При работе ОУ в импульсном режиме уровни его входных сигналов превышают значения, соответствующие линейной области амплитудной характеристики, состоящей из наклонного и двух горизонтальных участков. Импульсный режим работы ОУ характеризуется горизонтальными участками амплитудной характеристики. При изменении напряжения входного сигнала выходное напряжение ОУ остается практически постоянным и определяется напряжениями либо +u_вых, либо -u_вых, близкими соответ­ственно к напряжениям +Ек и -Ек источников питания.

Идеальный операционный усилитель имеет основные свойства: входные токи бесконечно малы; дифференциальное входное напряжение равно нулю, входное сопротивление и коэффициент усиления равны ∞.

Рассмотрим наиболее распространенные импульсные устройства, реализующиеся на основе ОУ.

Компаратор. Компаратором называют устройство, осуществ­ляющее сравнение измеряемого входного напряжения (u_вх) с опор­ным напряжением (U_оп). В каче­стве компаратора часто исполь­зуют ОУ с разомкнутой ОС (рис. 1). На вход «–» компаратора подается входной сигнал u_вх, на его вход «+» – опор­ный сигнал U_оп. В момент равен­ства напряжений uвх и U_оп компа­ратор находится в неустойчивом линейном режиме. При превыше­нии входным сигналом uвх значе­ния опорного напряжения U_оп вы­ходное напряжение компаратора изменяется от +uвх до –U_оп. Пере­ключение компаратора происходит с некоторой задержкой, которая определяется временем перезаряда паразитных емкостей ОУ. При U_оп = 0 компаратор фиксирует момент перехода входного напряжения че­рез нулевой уровень. В этом ре­жиме компаратор получил назва­ние «нуль-компаратор». Если на­пряжения u_вх и U_оп превышают максимально допустимые для дан­ного типа ОУ уровни входных сиг­налов, на входе компаратора уста­навливают делители напряжения.

Компараторы нашли широ­кое применение в преобразовате­лях аналоговых сигналов в цифро­вые.

Инвертирующий сумматор. Инвертирующий сумматор осуществляет суммирование входных сигналов (рис. 2). Благодаря свойствам идеального ОУ, ток от источников сигнала на его вход «–» не ответвляется и через цепь ОС протекает сумма токов всех источников: i₁ + i₂ = i₃. Кроме того, разность напряжений между входами ОУ равна нулю и напряжение в точке А так же равно нулю: u_вх1/R1 + u_вх2/R2 = –u_вых/R3. Если выбрать номиналы резисторов R1 = R2 = R, то выходное напряжение будет определяться соотношением: u_вых = – (R3/R)( u_вх1 + u_вх2). Наиболее часто инвертирующие сумматоры используются в качестве усилителя с широким диапазоном изменения нулевой точки. При подаче на входы инвертирующего сумматора постоянного и переменного синусоидального напряжений на выходе устройства будет сформирован усиленный синусоидальный сигнал, имеющий постоянную относительно общего провода составляющую.

Триггер Шмитта. Триггер Шмитта – устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями (рис. 3). Триггер Шмитта как правило выполняется на основе ОУ с положительной ОС. Триггер Шмитта обладает так называемой гистерезисной передаточной характеристикой. Переход триггера Шмитта из одного устойчивого состояния, характеризуемого выходным напряжением +u_вых, в другое устойчивое состояние с выходным напряжением –u_вых и возврат его в исходное состояние осуществляется, при входных напряжениях u_вх, отличающихся от опорного напряжения U_оп на величину напряжения собственного порога срабатывания Uп, определяемого соотношением: Uп = Uн/2 = βu_вых, где β = R1/(R1+R2) –коэффициент положительной ОС. Напряжение Uн = 2Uп является напря­жением гистерезиса триггера Шмита. Наличие гистерезиса в триггере Шмитта позволяет повысить помехоустойчивость устройства при обработке входного сигнала на фоне помех.

Если опорное напряжение на входе триггера Шмитта отсутствует (U_оп = 0), устройство переключается из одного устойчивого состояния в другое устойчивое состояние по собственному порогу.

Из-за наличия большого коэффициента усиления и гистерезисной передаточной характеристики триггеры Шмитта нашли широкое применение в качества преобразователей напряжения. При подаче на вход «–» триггера Шмитта напряжения синусоидальной формы на выходе устройства будет сформировано напряжение прямоугольной формы. Варьируя величину опорного напряжения U_оп, можно в широких пределах изменять скважность выходных импульсов напряжения триггера Шмитта. При U_оп = 0, скважность этих импульсов напряжения равна Q = 2 (рис. 4).

Автогенераторный мультивибратор (рис. 5). Автогенераторный мультивибратор предназначен для генерирования прямоугольных импульсов напряжения. Он обладает двумя неустойчивыми состояниями, работает в режиме самовозбуждения и не требует внешнего входного сигнала. В качестве автогенераторного мультивибратора обычно используют ОУ с положительной ОС и время задающей RC цепью, подключенной к инвертирующему входу устройства. Работа автогенераторного мультивибратора обеспечивается цепью положительной ОС приводящей к лавинообразному переходу из одного состояния в другое, и цепью отрицательной ОС, определяющей период возникающих колебаний. Когда потенциал на входе «–» автогенераторного мультивибратора достигнет значения –u_выхR1/(R1+R2) устройство переключается и его выходное напряжение скачком изменяет своё значение с –u_вых до +u_вых. При этом потенциал на инвертирующем входе устройства начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет значения +u_выхR1/(R1+R2).

Автогенераторный мультивибратор переключается в первоначальное состояние (рис. 5). Частота колебаний выходного напряжения автогенераторного мультивибратора определяется соотношением: f = 1/2RCℓn(1+2R1/R2).

Ждущий мультивибратор формирует на выходе прямоугольный импульс напряжения определенной длительности при воздействии на вход схемы короткого запускающего импульса (рис. 6). В отличии от автогенераторного мультивибратора ждущий мультивибратор содержит дополнительно цепь смещения (резистор R2) и цепь запуска (конденсатор С2, резистор R и диод VD 1). При отсутствии на входе «+» ждущего мультивибратора запускающего импульса uз его выходное отрицательное напряжение определяется положительным напряжением Е источника питания, поступающим через резистор R2 на вход «–» устройства. При подаче на вход «–» ждущего мультивибратора запускающего импульса uз его выходное напряжение скачком принимает значение +u_вых, которое поддерживается за счет цепи положительной ОС (резисторы R1 и R4). При этом начинается заряд конденсатора С1 и напряжение u1 на входе «+» устройства увеличивается (рис. 6б). В момент достижения равенства напряжений u1 = u2 происходит скачкообразное изменение выходного напряжения ждущего мультивибратора и последний переходит в исходное состояние.

Интегратор. Интегратором называется устройство, выходное напряжение которого определяется выражением u_вых = Ku_вхdt + U₀ (t=0),

где К – постоянный коэффициент; U₀ (t=0) - постоянная составляющая определяющая начальное условие интегрирования (рис. 7). Точное аналоговое интегрирование может быть осуществлено ОУ с емкостной ОС. Благодаря большому коэффициенту усиления и малому входному току напряжение на входе «–» ОУ близко к нулю, а токи во входной цепи и цепи ОС приблизительно равны. При этом:

u_вых(t) = –(1/RC) u_вхdt

При подаче на вход интегратора постоянного положительного напряжения +u_вх, выходное напряжение u_вых будет линейно возрастать по абсолютной величине от 0 до –U_{вых m} (рис. 7б). Варьируя номиналы элементов RС, можно изменять постоянную времени интегратора. Как правило, в интегратор вводят ключ К, замыкая который, быстро разряжают конденсатор С.

Если ко входу интегратора приложить постоянное положительное напряжение и периодически разряжать конденсатор С путем подачи на вход управления ключа К коротких импульсов напряжения, на выходе устройства будут сформированы импульсы напряжения пилообразной формы (рис. 8a).

Подавая на вход устройства напряжения различной формы, на выходе интегратора можно сформировать напряжение со сложным законом изменения во времени. Если на вход устройства подать периодическое знакопеременное напряжение прямоугольной формы, конденсатор C будет периодически заряжаться и разряжаться, и на выходе интегратора будет сформировано напряжение треугольной формы (рис. 8б).