Стабилизаторы напряжения и тока

Инвертирующий усилитель на основе ОУ

Рассмотрим схему  инвертирующего усилителя (рис. 2.25), из которой видно, что в ней действует Параллельная обратная связь по напряжению. Так как то в соответствии с первым законом Кирхгофа

Предположим, что  операционный усилитель работает в  режиме усиления, тогда В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим

Учитывая, что получаем

Таким образом, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным Например, если тогда

Для уменьшения влияния входных  токов операционного усилителя  на выходное напряжение в цепь не инвертирующего входа включают резистор с сопротивлением Я, (рис, 2,26), которое определяется из выражения

•

Входное сопротивление  инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления операционного усилителя. Это полностью соответствует сделанному раннее выводу о том, что параллельная отрицательная обратная связь, имеющая место в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учитывая, что легко заметить, что входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах существенно меньше выходного сопротивления на низких частотах собственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.

Можно показать, что , где К— коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.

Не  инвертирующий усилитель  на основе ОУ

Рассмотрим схему  не инвертирующего усилителя (рис. 2.27), где имеет место последовательная отрицательная связь по напряжению. Вначале выполним анализ схемы, используя принятые допущения, а затем выполним анализ на основе выражений, полученных для усилителя с указанной обратной связью.

В соответствии с ранее принятыми допущениями  входные токи ОУ равны нулю, т, е. и, следовательно,

Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда На основании второго

закона Кирхгофа получаем

Таким образом, не инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению Воспользуемся общим выражением для коэффициента усиления усилителя, охваченного последовательной отрицательной обратной связью по напряжению. Предположим, что используется входной сигнал низкой частоты, и поэтому будем использовать вещественные коэффициенты В соответствии с общим выражением Коэффициент β как можно заметить из рис. 2.27, определяется выражением Таким образом, при что совпадает с результатом, полученным на ^сновании используемых допущений.

Пусть, например, Тогда

Обратимся к  общим выражениям для входного и выходного сопротивлений. Предполагая что усилитель работает на низкой частоте, используем вещественные сопротивления Получаем, что входное сопротивление рассматриваемого усилителя

 причем при Аналогично

Очевидно, при Заметим, что полученное выражение совпадает с приведенным выше выражением для усилителя с параллельной отрицательной обратной связью.

 На входах  операционного усилителя, использующегося в не инвертирующем усилителе, имеется синфазный сигнал, равный напряжению U_ВХ. Это недостаток такого усилителя. В инвертирующем усилителе синфазный сигнал отсутствует.

КОМПАРАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

  Компараторы предназначены для сравнения  двух входных сигналов и скачкообразного  изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого. Один из входных сигналов называют опорным. На один вход компаратора подается исследуемый сигнал, на другой — опорный. Компараторы используются в самых различных областях: для сравнения уровня сигнала с пороговым значением, для получения прямоугольных сигналов из треугольных, в усилителях класса D, при импульсно-кодовой модуляции, для переключения источников питания, включения освещения и отопления и т.д. Основная идея построения компаратора заключается в том, что транзистор выходного каскада должен включаться или выключаться в зависимости от уровня входных сигналов. Работа схемы основывается на том, что один из двух выходных транзисторов в любой момент находится в режиме отсечки. На выходе компаратора формируются сигналы высокого логического уровня, если разность входных сигналов меньше напряжения срабатывания компаратора или низкого логического уровня, если разность входных сигналов превышает напряжение срабатывания компаратора.

 Точность  измерения компаратора характеризуется  напряжением, на которое необходимо превысить уровень опорного напряжения, чтобы выходное достигло порога срабатывания логической схемы. Точностные параметры компараторов определяются параметрами ОУ. Компараторы должны обладать низким напряжением сдвига, низким значением тока смещения, устойчиво работать без самовозбуждения. Входным каскадом компаратора является дифференциальный каскад, обеспечивающий очень слабую чувствительность к синфазным входным сигналам.

 Основными параметрами  компараторов являются: чувствительность (точность, с которой компаратор может различить входной и опорный сигнал), быстродействие t_здр (определяемое временем от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение достигает порога срабатывания логической схемы), нагрузочная способность (способность компаратора управлять определенным числом входов цифровых устройств).

 Скоростные  компараторы обычно делают с двумя  противофазными цифровыми выходами, что позволяет в последующих цифровых устройствах исключить несколько ключей и тем самым повысить быстродействие всей схемы. Часто для повышения быстродействия компараторов полупроводник легируют золотом, что уменьшает время жизни не основных носителей и способствует быстрому выходу транзистора из режима насыщения. Рассмотрим работу компаратора с использованием обычного ОУ в диапазоне низких частот, представленного на рис. 12.1, а.

 На инвертирующий  вход подается постоянное положительное опорное напряжение U_оп, а на не инвертирующий вход — синусоидальное напряжение. На выходе компаратора за счет большого коэффициента усиления ОУ получается последовательность почти прямоугольных импульсов (рис. 12.1, б). Переключение схемы происходит тогда, когда U_вх = U_on, однако реальный ОУ имеет небольшой входной ток и ненулевое напряжение смещения нуля, что вносит ошибки в работу компараторов, сдвигая моменты переключения в одну или другую сторону. Дри наличии большого дифференциального входного напряжения для защиты микросхемы на входе включаются встречно-параллельно два диода (рис.12.1, а), которые совместно с резисторами R1 и R₂ образуют ограничители. Роль резисторов могут выполнять внутренние сопротивления источников напряжений U_оп и U_ВХ.

 Если напряжение опорного сигнала равно нулю, то компаратор называют нуль-индикатором или детектором нулевого уровня.