Основы аналоговой схемотехники. Часть V

1. Основы аналоговой СХЕМОТЕХНИКИ Часть V

2. Идеальный операционный усилитель

2 Идеальный операционный усилитель
Идеальный операционный усилитель — это
дифференциальный усилитель с бесконечно
большим коэффициентом усиления,
бесконечно широкой полосой пропускания и
совершенно плоской АЧХ, бесконечным
входным сопротивлением, нулевым выходным
сопротивлением и полным отсутствием
дрейфа нуля.
В теории операционный усилитель имеет идеальные параметры. На практике
же их параметры стремятся к идеальным, но не достигают их. Использование
понятия «идеального» операционного усилителя помогает упростить расчеты.
Этими идеальными параметрами являются:
- бесконечно большое усиление при открытой петле обратной связи;
- бесконечно широкая полоса передаваемых частот;
- бесконечно большое входное сопротивление;
- выходной импеданс, равный нулю;
- выходное напряжение равно нулю при равенстве входных напряжений.
Очевидно, что такие параметры реально не могут быть обеспечены в полной
мере, но из года в год ОУ все более и более приближаются к идеалу.

3. Реальный операционный усилитель

3
Реальный операционный усилитель
На практике операционный усилитель имеет следующие свойства:
1) очень высокий коэффициент усиления (свыше 50000);
2) очень широкую полосу пропускания и плоскую АЧХ;
3) очень высокое входное сопротивление;
4) очень низкое выходное сопротивление;
5) очень слабый дрейф нуля.

4. Два правила анализа схем на ОУ

4
Два правила анализа схем на ОУ
1. Операционный усилитель, охваченный петлёй отрицательной
обратной связи, стремится привести разность напряжений между
входами к нулю.
2. Входы операционного усилителя ток не потребляют. (Реально входные токи очень малы).
Согласно правилу 1, точка А условно «соединена» с общим проводом, и
её потенциал равен 0 В. Отсюда: Iвх = Uвх / Rвх, Iос = Uвых / Rос .
Согласно правилу 2, ток, втекающий в точку А, равен вытекающему току,
поскольку входы операционного усилителя ток не потребляют.
Iвх = - Iос; Uвх / Rвх = -Uвых / Rос; KU= -Uвых / Uвх = Rос / Rвх.

5. Методы компенсации неидеальных параметров ОУ

6. Компенсация входных токов смещения ОУ

6 Компенсация входных токов смещения ОУ
1/R3 = 1/R1 + 1/R2
Пусть Uвх = 0, тогда и Uвых = 0, но входные токи смещения Iсм создают на
резисторах падение напряжения Uсм = Iсм•R1•R2 /(R1 + R2) поскольку для тока
смещения R1 и R2 включены параллельно. Это напряжение Uсм поступает на
вход ОУ в то время как Uвх = 0 и оно будет усилено в Ку раз. Это нарушает
логику работы ОУ, следовательно Uсм необходимо скомпенсировать.
В схеме вычитающего усилителя такая компенсация происходит естественным
путём, так как на неинвертирующем входе также создаётся напряжение смещения
равное Uсм = Iсм•R1•R2/(R1 + R2). Следовательно, в схеме инвертирующего
усилителя к неинвертирующему входу следует подключить сопротивление R3,
величиной R3 = R1•R2/(R1 + R2). Входным током Iсм на нём будет создано
падение напряжения Uсм = Iсм•R3 = Iсм•R1•R2 /(R1 + R2)

7. Учет входных токов ОУ

7
Учет входных токов ОУ
Второе правило анализа схем на ОУ с ООС гласит:
Входы операционного усилителя ток не потребляют. (Реально входные токи очень малы).
Это правило справедливо до тех пор, пока входные токи хотя бы на
порядок меньше токов в резисторах схемы. При больших величинах
резисторов токи в них становятся сравнимы с входными токами ОУ,
и анализ работы схем на ОУ усложняется значительно.

8. Схема усилителя с Т-мостом

8
Схема усилителя с Т-мостом
Дифференциальные усилители с Т-образными цепями в
петле ОС, обеспечивают большие значения полного
входного сопротивления при меньших сопротивлениях
резисторов обратной связи.

9. Анализ схемы усилителя с Т-мостом

9
Анализ схемы усилителя с Т-мостом
Усилитель с Т-образной цепью в петле ОС, при условии, что R3 и
R4 гораздо меньше R2, можно приближенно рассматривать как
схему инвертирующего усилителя с делителем выходного
напряжения на резисторах R3 и R4. При этом ток в цепи
резистора обратной связи R2 создается не всем выходным
напряжением Uвых, а лишь частью: Uос = Uвых•R4 / (R3 + R4).
Поэтому номинал резистора R2 может быть выбран меньшим при
том же коэффициенте усиления.

10. Усилитель с Т-образной цепью в ОС

10 Усилитель с Т-образной цепью в ОС
При обозначенных на схеме значениях резисторов усиление
дифференциального напряжения будет около 1000 (60 дБ). Для
точности коэффициента усиления 0,1 % полное сопротивление
источника должно быть меньше 25 Ом и согласовано (на выводах
источника) до 0,25 Ом, чтобы получить КОСС 100 дБ.

11. Прецизионный измерительный усилитель на трёх ОУ

11
Прецизионный измерительный
усилитель на трёх ОУ
Измерительный усилитель, инструментальный усилитель, разновидность
дифференциального усилителя с улучшенными параметрами, пригоден для
использования в измерительном и тестирующем оборудовании.
К улучшенным параметрам относят: очень малое входное смещение, малый
температурный дрейф, малый собственный шум, высокий коэффициент усиления,
регулируемый в широких пределах всего одним резистором, очень высокий
коэффициент ослабления синфазного сигнала, очень высокие входные
сопротивления, малый входной ток.

12. Компенсация напряжения смещения

12 Компенсация напряжения смещения
Идеальный операционный усилитель выдает ровно 0 В, когда оба входа
замкнуты вместе и соединены с землей. Но, большинство стандартных
операционных усилителей будут сдвигать свое выходное напряжение в
сторону уровня насыщения, либо отрицательного, либо положительного.
Напряжение смещения будет приводить к небольшим ошибкам в любой
схеме на операционных усилителях. Средства устранения смещения в
операционных усилителях предусматриваются. Два дополнительных вывода
на корпусе операционного усилителя зарезервированы для подключения
внешнего «подстроечного» потенциометра.

13. Компенсация сдвига прецизионных ОУ

13 Компенсация сдвига прецизионных ОУ
Внешние цепи подстройки сдвига для прецизионных ОУ.
а — инвертирующего;
б — неинвертирующего.

14. Частотная характеристика ОУ без ОС

14 Частотная характеристика ОУ без ОС
На низких частотах коэффициент
усиления без ОС очень велик. АЧХ
имеет спадающий характер в области
высокой частоты, начиная от частоты
среза fср. Причиной этого является
частотная зависимость параметров
транзисторов и паразитных емкостей
схемы ОУ. По граничной частоте fгр,
которой
соответствует
снижение
коэффициента усиления ОУ в корень
квадратный из 2 раз, оценивают
полосу пропускания частот усилителя.
Частота f1, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице,
называется частотой единичного усиления. Если разделить полосу единичного
усиления на частоту входного сигнала, то получим в результате коэффициент
усиления ОУ на данной частоте сигнала. При построении графиков АЧХ
характеристик обычно используется логарифмический масштаб.
Коэффициент усиления по напряжению в децибелах равен: KдБ = 20 lg K,
где K — числовое значение коэффициента усиления по напряжению.
Уменьшение коэффициента усиления с частотой называется спадом.
Последовательная RC–цепь имеет скорость спада АЧХ 20 дБ/дек или 6 дБ/окт.
Интервал частот, на котором частота изменяется в 10 раз, называется
декадой. Изменение частоты в два раза называется октавой.

15. Частотная характеристика ОУ с ООС

15 Частотная характеристика ОУ с ООС
Каждый усилительный каскад
ОУ в простейшем случае представляется эквивалентной схемой,
состоящей из последовательно
соединенных R и C, он также
имеет скорость спада 20 дБ/дек.
KU усилителя равен произведению коэффициентов усиления
его отдельных каскадов.
KU
каскадов усилителя, выражен-ные
в децибелах, можно скла-дывать,
вместо
того
чтобы
их
перемножать.
АЧХ ОУ можно получить, построив на одном графике АЧХ его каскадов и
графически их сложив. В том случае, когда скорость спада АЧХ ОУ составляет 20
дБ/дек, произведение коэффициента усиления ОУ на частоту единичного
усиления есть величина постоянная.
Отрицательная ОС ограничивает коэффициент усиления ОУ и значительно
расширяет полосу пропускания. Отметим, что отрицательная обратная связь
не расширяет АЧХ ОУ, а граничная частота ОУ увеличивается за счет
уменьшения коэффициента усиления усилителя.
Коэффициент усиления ОУ с ОС, как видно из рисунка, есть разность между
коэффициентами усиления ОУ без ОС и с ОС, выраженной в децибелах.

16. Частотная коррекция ОУ

16
Частотная коррекция ОУ
Так как операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель
с очень большим коэффициентом усиления, то при увеличении частоты из-за
влияния паразитных емкостей транзисторов одновременно с падением
коэффициента усиления увеличивается и фазовый сдвиг между входным и
выходным напряжениями. На некоторой критической частоте отрицательная
обратная связь превращается в положительную, и усилитель самовозбуждается,
т.е. становится генератором незатухающих колебаний. Корректирующий
конденсатор выбирается так, чтобы коэффициент усиления разомкнутой петли
усилителя становился равным единице раньше, чем сдвиг фазы, вызванный
остальными каскадами усилителя, станет существенным.

17. Частотная коррекция ОУ

17
Частотная коррекция ОУ
ОУ без внутреннего конденсатора, имеющие специальные выводы (от одного до
трех) для подключения внешних корректирующих элементов - конденсаторов и, в
ряде случаев, резисторов, являются более универсальными. Изменением
номиналов элементов внешней корректирующей цепи разработчик может выбрать
наилучшую из возможных комбинаций стабильности и полосы пропускания для
конкретного операционного усилителя. Очень распространенным является случай
коррекции ОУ одним конденсатором.
От величины емкости корректирующего конденсатора Ск зависит частотный
диапазон усилителя. На рисунке показано изменение АЧХ операционного
усилителя при изменении емкости корректирующего конденсатора.

18. Частотная коррекция RC-цепью

18
Частотная коррекция RC-цепью
В том случае, когда ОУ не имеет выводов коррекции, его частотную
характеристику можно
скорректировать, применив простейшие
частотно-зависимые цепи. В данном случае интегрирующая RC-цепь
на выходе ОУ снижает KU в области высоких частот, предотвращая
самовозбуждение стабилизатора в этом частотном диапазоне.

19. Компенсация температурного дрейфа

19 Компенсация температурного дрейфа
Главным недостатком УПТ является нежелательное явление – дрейф нуля –
изменение выходного напряжения при постоянстве его на входе. Дрейф нуля
вызывается изменением напряжения источника питания, температурными
изменениями входной характеристики транзистора, начального тока коллектора, а
также изменением параметров транзисторов в связи с их старением.
Способы уменьшения дрейфа в УПТ: стабилизация напряжения источников
питания; введение в УПТ специального канала автоматической
компенсации дрейфа; предварительный прогрев устройства и его
термостатирование.

20. Аппаратная компенсация дрейфа

20 Аппаратная компенсация дрейфа
Усилители с модуляцией-демодуляцией сигнала (МДМ) используются
в случаях, когда требуется получить
наименьшее значение дрейфа нуля
выходного напряжения. От усилителей
с непосредственными связями они
отличаются тем, что в них входной
постоянный сигнал преобразуется в
переменный с помощью модулятора,
который усиливается усилителем
переменного тока, а затем с помощью
демодулятора вновь преобразуется в
постоянный сигнал.
Пульсации выходного сигнала сглаживаются с помощью фильтра низких частот.
Усилители МДМ в значительной степени уменьшают погрешности
связанные с дрейфом нуля. Лучшие образцы УПТ МДМ имеют дрейф в 30—
100 раз меньше, чем дрейф у лучших УПТ без преобразования.
а) Упрощенная схема УПТ-МДМ; б) схема модулятора; в) схема демодулятора;
г) диаграмма управляющих напряжений.
Отечественный ОУ К140УД13 представляет собой прецизионный предварительный
усилитель постоянного тока с дифференциальными входами, построенный по схеме
модулятор-демодулятор (МДМ).

21.

Аналого-цифровое и
цифро-аналоговое
преобразование

22. Классификация сигналов

22
Классификация сигналов
В зависимости от функции, описывающей параметры
сигнала, выделяют аналоговые, дискретные,
квантованные и цифровые сигналы:
• аналоговые (непрерывные),
описываемые непрерывной
функцией;
• дискретные, описываемые
функцией отсчётов, взятых в
определённые моменты времени;
• квантованные по уровню;
• цифровые сигналы (дискретные,
квантованные по уровню и времени).

23. Компаратор на ОУ

23
Компаратор на ОУ
Диод и резистор согласуют выходные
уровни ОУ с уровнями ТТЛ
Компаратор представляет собой устройство, которое сравнивает между
собой два электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий
на превышение одного входного сигнала над другим. Компаратор имеет два
аналоговых входа и один цифровой выход

24. Компаратор

24
Компаратор
По сравнению с ОУ компараторы имеют меньшие времена задержки и очень
высокую скорость нарастания выходного напряжения. Встроенные цепи
фазовой коррекции, необходимые для обеспечения устойчивости ОУ, делают
устройство слишком медленным для операций переключения.
Выходной каскад ОУ рассчитан на использование в линейном режиме. При
двуполярном питании его выходное напряжение изменяется от одной шины
питания до другой, и для использования в цифровых схемах требует смещения
уровней.
Положительная обратная связь вводит гистерезис: переключение
происходит при разных уровнях, что повышает защищенность от помех и
шумового сигнала.

25. Принцип работы параллельного АЦП

25 Принцип работы параллельного АЦП
Схема
параллельного АЦП,
наиболее проста для понимания.
АЦП подобного типа состоит из
нескольких
компараторов,
каждый из которых сравнивает
входной сигнал с определённым
дискретным уровнем опорного
напряжениям.
При
изменении
входного
напряжения от 0В до 5В компараторы
будут
срабатывать
последовательно, фиксируя превышение входным сигналом
опорных уровней 1В, 2В, 3В и
4В и формируя на выходах оригинальный цифровой код.
Этот код неудобен для обработки и требует дополнительного преобразования.

26. Параллельный АЦП

26
Параллельный АЦП
Выходы
компараторов
соединены
со
входами
приоритетного шифратора, на
выходе которого будет двоичный
выходной
сигнал.
Uоп
–
стабильное опорное напряжение,
обеспечиваемое
прецизионным
стабилизатором напряжения (на
схеме
не
показано).
Если
приложенное входное напряжение
превышает величину опорного
напряжения компаратора, то его
выход
устанавливается
в
состояние лог. «1». Приоритетный
шифратор генерирует двоичное
число на основе активного входа
самого
старшего
разряда,
игнорируя
все
остальные
активные входы.

27. Параллельный АЦП

27
Параллельный АЦП
С помощью логических схем
«исключающее
ИЛИ»,
можно
реализовать принцип «выделения
старшего разряда», когда активен
лишь
старший
разряд
при
увеличении входного напряжения от
нуля до максимума.
Сам шифратор в двоичный код
8421 (степени числа 2) в этом случае
может представлять собой диодную
матрицу, и в этом случае мы
получаем
самую
простую
возможную
конструкцию
параллельного пре-образователя.
Параллельный АЦП является не
только самым простым преобразователем с точки зрения схемотехники, но также и самым быстрым
из всех типов АЦП. Но он содержит
весьма много элементов.

28. ЦАП с суммированием весовых токов

28 ЦАП с суммированием весовых токов
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) преобразуют численные
данные в аналоговый сигнал, чаще в напряжение или в ток и служат для
связи цифровых и выходных устройств. На рисунке приведена схема ЦАП
с суммированием весовых токов. Каждый резистор во входной цепи
соответствует определенному разряду двоичного числа. Токи резисторов
суммируются, причем значения этих токи различны – имеют разный
«вес», пропорциональный разряду. Это и определяет название схемы.
По существу этот ЦАП – суммирующий инвертирующий усилитель
на основе операционного усилителя. Схема проста, но имеет недостатки:
использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями.
Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.

29. ЦАП на основе резистивной матрицы R–2R

29 ЦАП на основе резистивной матрицы
R–2R
Матрица R–2R, содержит элементы только двух номиналов: R и
2R, чем выгодно отличается от матрицы двоично-взвешенных
резисторов. Токи в резисторах 2R образуют двоично-взвешенный
ряд. Размер матрицы R–2R вправо неограничен, и зависит от
заданного количества разрядов n.

30. Резистивная матрица R–2R

30
Резистивная матрица R–2R
Uвых = Uоп(1/2 D7 + 1/4 D6 + 1/8 D5 + 1/16 D4 + 1/32 D3 + 1/64 D2 + 1/128 D1 + 1/256 D0)
Матрица R–2R имеет два вида включения: прямое — матрица
токов и инверсное — матрица напряжений. Включение матрицы
резисторов R–2R по схеме матрицы напряжений показано на
рисунке. Главное преимущество ЦАП с выходом по напряжению
заключается в том, что выходной импеданс постоянен.

31. Анализ делителя на матрице R–2R

31
Анализ делителя на матрице R–2R
Сопротивление в цепи R–2R от R в сторону 2R младших
разрядов всегда равно R в любом сечении матрицы любой длины

32. ЦАП COVOX на основе матрицы R–2R

32 ЦАП COVOX на основе матрицы R–2R
Covox Speech Thing
(также известный, как
Covox plug, обычно
называемый
просто
Covox) — внешнее
устройство, подключаемое
к
компьютеру,
позволяющее воспроизводить цифровой звук.
Технически оно представляло собой простейший резистивный ЦАП
на основе дискретной
матрицы R–2R. Подобрать резисторы лишь
двух
номиналов
с
точностью 1% довольно
нетрудно.

33. АЦП с пилообразным опорным сигналом

33 АЦП с пилообразным опорным сигналом
В АЦП с опорным генератором пилообразных напряжений преобразование
осуществляется путём непрерывного сравнения преобразуемого сигнала с
линейным опорным пилообразным сигналом с помощью компаратора.
Компаратор при изменении своего состояния запускает счётчик, который
считает в течение времени, пока компаратор имеет высокий логический
уровень, это время пропорционально значению входного сигнала. Этот метод
весьма быстродействующий, но требует очень высокой линейности источника
пилообразного напряжения. Выходной сигнал представляет собой последовательность импульсов, широта которых пропорциональна напряжению (ШИМ).

34. ЦАП для ШИМ–сигнала

34
ЦАП для ШИМ–сигнала
ШИМ-сигнал преобразуется в аналоговый посредством
интегрирования RC цепью, аналоговым интегратором на ОУ. В
результате интегрирования на выходе будет величина напряжения,
равная площади под импульсами
Рекомендуется также пропустить результирующий сигнал через
активный фильтр второго порядка

35. Разновидности АЦП и ЦАП

35
Разновидности АЦП и ЦАП
• АЦП параллельного типа.
• АЦП с пилообразным опорным сигналом
• Последовательно-параллельные АЦП
• АЦП последовательного приближения.
• АЦП следящего типа.
• АЦП последовательного приближения.
• АЦП поразрядного уравновешивания.
• АЦП двойного интегрирования.
• Сигма-дельта АЦП.
• ЦАП с двоично-взвешенной матрицей резисторов.
• ЦАП с матрицей резисторов R–2R.
• ЦАП интегрирующего типа.
• Умножающий ЦАП.
• ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел .
• Струнный или последовательный ЦАП.

36. THE END!

37. Задание №1

Вывести выражение для коэффициента передачи KU усилитель с
Т-образной цепью в петле ОС, при условии, что R3 и R4 гораздо
меньше R2.

38. Задание №2

Проанализировать
эквивалентный
делитель
матрицы R–2R для случая, изображенного на рисунке.

39. Задание №3

На
основе
модели
параллельного
АЦП
исследовать
принцип
работы ЦАП, с резистивной матрицей R–2R.

40. Задание №4

Исследовать принцип работы АЦП с опорным
генератором пилообразных напряжений. Получить
осциллограммы ШИМ-сигнала.