1. Основные характеристики аэу. 6Тема Основные характеристики аэу 1 Классификация аэу

• Название: 6Тема Основные характеристики аэу 1 Классификация аэу
• Дата: 29.03.2019
• Размер: 1.22 Mb.
• Имя файла: 1. Основные характеристики аэу.doc
• Тип: Документы; #71982
• страница: 6 из 8

Тема 12. Генераторы гармонических колебаний

12.1 RC-генератор синусоидальных колебаний

Достоинствами RC-генератора синусоидальных колебаний – на  ОУ являются простота, дешевизна, малые масса и габариты, а недостатком – невысокая стабильность частоты генерации. Рассмотрим схему генератора с мостом Вина (рис.12.1).



Рисунок 12.1 – Схема генератора с мостом Вина

Коэффициент передачи звена обратной связи (моста Вина) равен



на квазирезонансной частоте .

Если C₁ = C₂ = C и R₁ = R₂ = R, то

На (рис.12.2) приведена АЧХ и ФЧХ моста Вина, из которого видно, что на квазирезонансной частоте фазовый сдвиг φ_ос равен нулю, а коэффициент передачи звена обратной связи γ_ос равен 1/3.



Рисунок 12.2 – АЧХ и ФЧХ моста Вина

На схеме сопротивление R включено для подстройки глубины отрицательной обратной связи, которая необходима для выполнения баланса амплитуд. Встречно-параллельные диоды VD₁ и VD₂ включены для стабилизации амплитуды выходного сигнала. При слишком больших U_вых диоды попеременно входят в состояние прямой проводимости и увеличивают амплитуду сигнала отрицательной обратной связи, уменьшая коэффициент усиления сигнала.
12.2 Кварцевые генераторы
Как уже отмечалось, основу кварцевых генераторов составляют кварцевые резонаторы. Кварцевый резона­тор - это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой элек­тромеханическую колебательную систему. Эти резонато­ры относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.

Прямой пьезоэффект состоит в том, что механическая нагрузка на кварц вызывает появление электрического напряжения между соответствующими поверхностями.

Обратный пьезоэффект состоит в том, что электрическое напряже­ние между соответствующими поверхностями кварца, создаваемое с помощью внешнего источника, вызывает изменение его формы и размеры.

Кварцевые резонаторы изготавливают из природного и искусственного монокристаллического кварца. Из заго­товки вырезают пластины, грани которых определенным образом ориентированы относительно кристаллографи­ческих осей монокристалла. В рабочем режиме на обклад­ках пластины имеется переменное напряжение и имеют место механические колебания пластины. Используются колебания сжатия-растяжения, изгиба, кручения и другие.

При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис.12.3,а) его удобно заменять эквивалентной схемой, представлен­ной на (рис.12.3, б).

Необходимо отметить, что именно эта эквивалентная схема кварцевого резонатора используется в пакете про­грамм PSpice для моделирования электронных схем. В эквивалентной схеме могут иметь место и параллель­ный, и последовательный резонанс. На практике исполь­зуют оба вида резонанса.



Рисунок 12.3 – Условное обозначение кварцевого резонатора (а) и эквивалентная схема (б)

На частоте последовательного резонанса резонатор имеет минимальное сопротивление R_k. Частота параллельного резонанса



В диапазоне частот между ω_к и ω₀ резонатор ведет себя как некоторая индуктивность.

Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Q_k = 10⁴ - 10⁵). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10^-6 – 10^-9).

Схема кварцевого генератора на основе ОУ при использовании последовательного резонанса приведена на (рис.12.4).



Рисунок 12.4 – Схема кварцевого генератора на ОУ

На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильная ПОС, что и поддерживает автоколебания.

В схеме микроконтроллера предусмотрен внешний тактовый генератор со стабильной частотой импульсов. Часть схемы генератора вместе с кварцем и конденсаторами С₁,С₂ располагается снаружи, а другая часть с ОУ внутри микроконтроллера (12.5).



Рисунок 12.5 – Схема генератора тактовых импульсов микроконтроллера

Тема 13. Схемы линейного преобразования сигналов на ОУ

13.1 Инверторы сопротивления
Иногда возникает необходимость использования от­рицательного сопротивления, например, для компенсации потерь и повышения добротности колебательных контуров. Для обычного двухполюсника направление тока и напряжения совпадают и его сопротивление по­ложительное: R = U/I. Если же в двухполюснике на­правления протекающего тока и приложенного напря­жения не совпадают, отношение U/I будет отрицательным. Говорят, что такой двухполюсник обла­дает отрицательным сопротивлением. Физически это означает, что этот двухполюсник не рассеивает, а отдает энергию во внешнюю цепь. Поэтому отрицательные сопротивления могут быть получены только с применением активных схем, которые называют инвертора­ми сопротивления.

Схема инвертора сопротивления на операционном усилите­ле приведена на (рис. 13.1).



Рисунок 13.1 – Схема инвертора сопротивления

Выходное напряжение идеального ОУ определяется как

U_вых = U₂ + I₂R.

Входной ток усилителя равен

I₁ = (U₁ - U_вых)/R.

На входах идеального операционного усилителя напряжения равны, U₁ = U₂, поэтому I₂ = - I₁. Отсюда следует, что

U₁/I₁ = - R₂.

При выводе этих соотношений предполагалось, что схема находится в устойчивом состоянии. Однако, поскольку операционный усилитель охвачен одновременно положительной и отрицательной обратными связями, следует принять меры, чтобы выполнялись условия устойчивости. Физический смысл условий устойчивости для схемы инвертора сопротивления с идеальным при резистивных обратных связях заключается в том, что глубина положительной обратной связи должна быть меньше, чем отрицательной. Для схемы (рис.12.1) это означает, что сопротивление источника входного сигнала Rs должно быть меньше R₂.

Примером практического применения инвертора сопротивления яв­ляется схема неинвертирующего интегратора (рис. 13.2).


Рисунок 13.2 – Неинвертирующий интегратор: а – эквивалентная схема; б – схема неинвертирующего интегратора на ОУ

На (рис.14.2,а) приведена эквивалентная схема интегратора в виде интегрирующей RС-цепочки, содержащей резистор с отрица­тельным сопротивлением. Операторная передаточная функция этой цепи, определяемая как от­ношение изображений по Лапласу выходного и входного напряжений, приво­дится к виду:

(13.1)

т. е. с точностью до знака совпадает с передаточной функцией интегратора. Роль резистора с отрицательным сопротивлением выполняет инвертор сопро­тивления (Рис.13.2,б). С учетом коэффициента передачи неинвертирующего усилителя для этой схемы имеем:

(13.2)
13.2 Гираторы
При физическом моделировании может понадобиться катушка с индуктивностью в несколько сотен генри. Для уменьшения габаритов проектируемой схемы вместо индуктивности можно применить схему гиратора (рис.13.3).



Рисунок 13.3 – Схема гиратора

Гиратором называют четырехполюсник, полное входное сопротивление которого (Z_вх) является обратным по отношению к полному сопротивлению нагрузки (Z_н), т.к. имеет место соотношение Z_вх ∙ Z_н = k², где k – некоторая постоянная. В частности, гиратор может преобразовать емкостное сопротивление в индуктивное, и наоборот.

Электрическое равновесие схемы описывается системой уравнений

(13.3)

Разрешив систему уравнений относительно дроби U/I, найдем входное сопротивление схемы

(13.4)

Если в качестве Z_L включить конденсатор С (как показано на схеме), то операторное входное сопротивление равно

(13.5)

т.е. гиратор моделирует катушку с индуктивностью

L = CR₁R₃R₄/R₂. (13.6)

Частотный диапазон такой индуктивности и максимальный допустимый ток через нее ограничиваются быстродействием и мощностью применяемых операционных усилителей.

Поменяв местами в схеме (13.3) конденсатор С и резистор R₄, получим схему умножения емкости. В этом случае входное сопротивление гиратора равно

(13.7)

Выбрав R₁R₃ << R₂R₄, можно получить эквивалент емкости, многократно превосходящей емкость конденсатора С , т.е. в К раз

(13.8)

Тема 14. Источники напряжения на ОУ

14.1 Источники напряжения, управляемые током
При построении линейных электрических схем, кроме пассивных элементов, используется идеализированные активные элементы в виде управляемых источников тока и напряжения.

Для точных измерений слабых токов, в цифроаналоговых преобразователях (ЦАП) и в некоторых других устройствах требуется получение напряжения, пропор­ционального току. При этом во многих случаях необходимо, чтобы источник напряжения, управляемого током (ИНУТ), называемый также преобразователем ток— напряжение, имел по возможности минимальные входное и выходное сопро­тивления.

Входное и выходное сопротивления идеального преобразователя ток - напряжение равны нулю.

Схема источника напряжения управляемого током (ИНУТ), приведена на (рис.14.1).



Рисунок 14.1 – Схема источника напряжения управляемого током (ИНУТ)

Если усилитель идеальный, то U_д = 0 и

U_вых = -I_вхR, (14.1)

т.е. входной ток I_вх управляет выходным напряжением U_вых независимо от величины нагрузки R_н.

Если коэффициент усиления ОУ К_U конечен, то

(14.2)

(14.3)

где R_s - сопротивление источника входного сигнала.

Эта схема пригодна для преобразования в напряжение относительно слабых токов, втекающих в общую точку.

Для измерения больших, силовых токов в линии, находящейся под относительно высоким напряжением, может быть использована схема, приведенная на (рис. 14.2).

Ток, протекающий в нагрузку, создает напряжение U_вх на шунте R_ш, который играет роль датчика тока. Полагая ОУ идеальным, ток через инвертирующий вход не течет и, поскольку напряжение между дифференциальными входами усилителя равно нулю, напряжение U_вх приложено к левому резистору R. Ток через резистор R и коллектор транзистора VT равен





Рисунок 14.2 – ИМС INA168 для измерения силового тока

Пренебрегая током базы транзистора, выходное напряжение равно

(14.4)

Как видно из (14.4) выходное напряжение преобразователя U_вых пропорционально силовому измеряемому току I_L.

Именно по этой схеме выполнен преобразователь ток - напряжение фирмы Burr-Brown INA168 (границы микросхемы показаны на зеленой ли­нией). Он допускает синфазное напряжение на входах до 60 В и коэффициент усиления напряжения, падающего на шунте, до K_U = 100. Ток, потребляемый микро­схемой, всего 50 мкА.
14.2 Источники тока, управляемые напряжением
Источники тока управляемые напряжением (ИТУН) или преобразователи напряже­ние -ток, предназначены для обеспечения нагрузки током, который не зави­сит от выходного напряжения ОУ и регулируется только входным напряжением схемы. Такие источники применяются в измерительных схемах, например, при измерении сопротивления, в электроприводе, если требуется стабилизировать вращающий момент электродвигателя и др.

Идеальный преобразователь напряжение - ток имеет бесконечно большое входное R_вх и выходное сопротивления R_вых.
14.2.1 Источники тока с незаземленной нагрузкой
В инвертирующем и неинвертирующем усилителях по резистору R_н отрица­тельной обратной связи (ООС) протекает ток

I₂ = U₁/R₁. (14.5)

Таким образом, этот ток I₂ (выходной) не зависит от падения напряжения на резисторе R_н (выходное напряжение U_вых), а зависит только от величины входного напряжения U₁.

Следовательно, оба этих усилителя (рис.14.3) можно использовать в качестве источников тока, в которых вме­сто резистора обратной связи включена нагрузка R_н.



Рисунок 14.3 – Источники тока с нагрузкой в цепи ОС

Поскольку дифференциальный коэффициент усиления ОУ К_U имеет конеч­ное значение, входное дифференциальное напряжение U_д остается отличным от нуля. Для определения выходного сопротивления источника тока на (рис.14.3,а)

запишем:







Отсюда получим



Таким образом, выходное сопротивление источника тока равно

(14.6)

Оно пропорционально дифференциальному коэффициенту усиления ОУ по напряжению K_U. Вы­ходное сопротивление схемы на (рис.14.3,б) может быть рассчитано аналогично.
14.2.2 Источники тока с заземленной нагрузкой
Схема источника тока этого типа приведена на (рис.14.4).



Рисунок 14.4 - Источник тока, управляемый напряжением,

для заземленной нагрузки

На (рис.14.4) изображена так называемая схема Хоуленда в типовой кон­фигурации. Принцип ее действия состоит в том, что выходной ток измеряется по падению напряжения на резисторе R₅. Выходное напряжение ОУ устанавли­вается таким, что падение напряжения на резисторе R₅ оказывается пропорцио­нальным величине входного напряжения. Для определения выходного тока ис­точника запишем уравнения по первому закону Кирхгофа для n- и p-входов и выхода операционного усилителя:







Из этих уравнений с учетом того, что в идеале U_n = U_p, получим



Приравняв к нулю коэффициент при U₂, найдем условие независимости вы­ходного тока от напряжения на нагрузке:

(14.7)

Если выбрать R₁ = R₃, a R₂ = R₄, то выражение для выходного тока источника будет иметь вид:

(14.8)

Как видно из (14.8) выходной ток I₂ преобразователя зависит только от величины входного напряжения U₁, но не от величины выходного напряжения U_вых.

Выполняя тонкую подстройку, например, посредством регулировки R₃, можно добиться весьма точного выполнения условия (14.7), т. е. практически беско­нечного выходного сопротивления R_вых источника тока на низких частотах при ре­альных характеристиках операционного усилителя.

.

Тема 15. Линейные стабилизаторы напряжения

15.1 Общие положения
Для питания любой активной электронной схемы необходимо иметь один или несколько источников стабильного напряжения постоянного тока. Про­стые нерегулируемые источники питания, выполненные по схеме трансформатор - неуправляемый выпрямитель - сглаживающий фильтр, во многих случаях оказываются непригодными, так как их выходное напряжение зависит от тока нагрузки и напряжения в сети. Однако с помощью все той же отрицательной обратной связи (ООС), легко построить источник стабильного пита­ния, используя для компенсации влияния нагрузки и нестабильности сети регу­лирующий сигнал, полученный в результате сравнения выходного напряжения источника с некоторым постоянным эталонным (опорным) напряжением. Та­кие стабилизированные источники питания относятся к классу компенсацион­ных. Они достаточно универсальны и могут быть изготовлены в виде инте­гральных микросхем стабилизаторов напряжения.

Как правило, регулирующим элементом ИМС стабилизаторов напряжения является биполярный либо полевой транзистор. Если этот транзистор все время работает в активном режиме, то схему называют линейным (непрерывным) стабилизатором напряжения (ЛСН), а если регулирующий транзистор работает в ключевом режиме - импульсным (ИСН).

Микросхемы ЛСН включают помимо силовых регуляторов более или менее сложную маломощную схему управления. Принципиальная трудность создания интегральных стабилизаторов заключается в том, что силовые транзисторы рассеивают значительную мощность, вызывая локальный нагрев кристалла с су­щественным градиентом температур. Это резко ухудшает стабильность параметров схемы управления, в состав которой входит источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель ошибки, цепи защиты от перегрузок по току и короткого замыкания нагрузки, от перегрева кристалла и других аварийных или нештатных режимов.
15.2 Компенсационные ЛСН
Стабилизатор представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, состоящую из следующих основных элементов:

- источник опорного напряжения (ИОН);

- сравнивающий и усиливающий элемент (СУЭ);

- регулирующий элемент (РЭ).

Напряжение на выходе стабилизатора постоянно сравнивается с эталонным напряжением. В зависимости от их соотношения сравнивающим и усиливающим элементом вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента, изменяющий его режим работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

В качестве ИОН обычно используют ту или иную электронную цепь на основе стабилитрона, в качестве СУЭ используют операционный усилитель, а в качестве РЭ – биполярный или полевой транзистор. Чаще всего регулирующий элемент включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным (рис.15.1,а). Иногда РЭ включают параллельно нагрузке, и тогда стабилизатор называют параллельным (рис.16.1,б). В параллельном стабилизаторе используется балластное сопротивление R_б, включаемое последовательно с нагрузкой.



Рисунок 15.1 – Структурная схема компенсационного стабилизатора:

а – последовательный; б – параллельный

Типичная принципиальная схема линейного стабилизатора напряжения приведена на (рис.15.2).



Рисунок 15.2 – Принципиальная схема ЛСН

Из схемы очевидно, что на элементах R₂, R₃, DA и VT построен не-инвертирующий усилитель на основе ОУ с выходным кас­кадом в виде эмиттерного повторителя на транзисторе VT, а входным напряжением для него является выходное на­пряжение параметрического стабилизатора напряжения на элементах R₁ и VD.

В соответствии со схемой получаем:







Подставляя выражение для I_R2 в предыдущее уравнение, получим



следовательно,



Последнее выражение в точности повторяет соответ­ствующие выражения для неинвертирующего усилителя (входным напряжением является напряжение U_ст).

Следует отметить, что ООС охватывает два каскада - на операционном усилителе и на транзисторе. Рассматри­ваемая схема является убедительным примером, демонст­рирующим преимущество общей отрицательной обратной связи по сравнению с местной.

Основным недостатком стабилизаторов с непрерывным регулированием является невысокий КПД, поскольку значительный расход мощности имеет место в регулирующем элементе, т.к. через него проходит весь ток нагрузки, а падение напряжения на нем равно разности между входным и выходным напряжениями стабилизатора.

В настоящее время выпускаются интегральные микросхемы компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием серии К142ЕН. В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимое значение ИМС, микросхему дополняют внешними элементами (рис.15.3).



Рисунок 15.3 – ИМС К142ЕН1 с внешними элементами

Резистор R предназначен для срабатывания защиты по току, а R₁ для регулирования выходного напряжения.
15.3 Импульсные стабилизаторы напряжения
Импульсные стабилизаторы напряжения в настоящее время получили распространение не меньшее, чем непре­рывные стабилизаторы. Благодаря применению ключево­го режима работы силовых элементов таких стабилизаторов можно получить КПД равный 70 - 80 %, в то время как у непрерывных стабилизаторов он составляет 30 - 50%. В силовом элементе, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутации мощ­ность, рассеиваемая в нем, значительно меньше, чем в непрерывном стабилизаторе. Хотя в замкнутом со­стоянии ток, протекающий через силовой элемент, мак­симален, падение напряжения на нем близко к нулю. В разомкнутом состоянии ток, протекающий че­рез него, равен нулю, хотя напряжение максимально.

Та­ким образом, в обоих случаях рассеиваемая мощность не­значительна и близка к нулю.

Малые потери в силовых элементах приводят к умень­шению или даже исключению охлаждающих радиаторов, что значительно уменьшает массогабаритные показатели. Кроме того, использование импульсного стабилизатора позволяет в ряде случаев исключить из схемы силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, что также улучшает показатели стабилизаторов.

К недостаткам импульсных источников питания отно­сят наличие пульсаций выходного напряжения.

Рассмотрим импульсный последовательный стабилиза­тор напряжения (рис. 15.4).



Рисунок 15.4 – Схема последовательного импульсного стабилизатора напряжения

Ключ S периодически вклю­чается и выключается схемой управления (СУ) в зависи­мости от значения напряжения на нагрузке. Напряжение на выходе регулируют, изменяя отношение

t_вкл/t_выкл,

где t_вкл/t_выкл – длительности отрезков времени включения и выключения ключа.

Чем больше это отношение, тем больше напряжение на выходе. В качестве ключа S часто используют биполярный или полевой транзистор. Диод обеспечивает протекание тока катушки индуктивности тогда, когда ключ выключен и, следовательно, исключает появление опасных выбросов напряжения на ключе в момент коммутации. LC-фильтр снижает пульсации напряжения на выходе.