Масштабирующие преобразователи
Масштабирующие преобразователи применяются для приведения выходного сигнала первичного измерительного преобразователя (датчика) к стандартному уровню для дальнейшего преобразования в цифровую форму и обработке в микропроцессорных системах управления или измерения. Такие преобразователи по существу являются усилителями, которые преимущественно выполняются на ОУ в интегральном исполнении, при этом чаще всего используются три схемы включения ОУ, показанные на рис. 10.1.
Усилитель на рис. 10.1, а называется инвертирующим по той причине, что на его выходе сигнал находится в противофазе с входным. Его коэффициент усиления по постоянному току в первом приближении определяется формулой K,,n=R3/Rl, а в диапазоне частот
где
Коэффициент усиления по постоянному току неинвертирующего усилителя (рис. 10.1, б) в первом приближении равен Kон=1+R3/R1; а в диапазоне частот определяется выражением (10.1). Частным случаем неинвертирующего усилителя является повторитель напряжения (рис. 10.1, в) с единичным коэффициентом передачи;
он обладает весьма высоким входным сопротивлением и используется для согласования высокоомных датчиков с последующими низкоомными преобразователями.
Одной из важных характеристик усилителей являются их частотные характеристики. Для сравнения характеристик различных усилителей на ОУ воспользуемся схемой на рис. 10.2, а, которая содержит ОУ МС1456, функциональный генератор и измеритель амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик (АЧХ-ФЧХ). Для оценки рабочего диапазона частот усилителя на ОУ измеряют его АЧХ и определяют верхнюю граничную частоту по уровню 0,707, что соответствует спаду усиления на -3 дБ. Из АЧХ усилителя на ОУ МС1456 (рис. 10.2, б) видно, что диапазон частот по уровню -3 дБ составляет О...380 кГц.
Весьма важными характеристиками ОУ являются смещение нуля и паразитные входные токи. Эти параметры определяют точностные характеристики таких устройств как аналоговые вычислительные машины, разнообразная измерительная техника и т.п.
Согласно [23] для инвертирующего усилителя выходное напряжение, вызванное напряжением смещения нуля Vos определяется выражением:
а вызванное входными токами 1bc; и их разностью Ioff — соответственно выражениями:
где значок ¦¦ означает параллельное включение сопротивлений, Ri — входное сопротивление ОУ.
Для моделирования влияния дестабилизирующих факторов на выходное напряжение ОУ используется схема на рис. 10.3. Поскольку в процессе эксперимента придется варьировать параметры ОУ, для предотвращения порчи библиотечного компонента целесообразно организовать новую библиотеку, скопировав в нее выбранный компонент, например, ОУ МС1456.
Моделирование целесообразно проводить в следующем порядке:
в режиме редактирования характеристик ОУ установите значения 1bс=1оff=0, а для Vos, выберите значения 1, 3, 5, 10 мВ и с помощью мультиметра измерьте соответствующие им выходные напряжения Uoos. Полученные данные сравните с результатами расчетов по формуле (10.2);
О установите Vos=0, Ioff=0, для Ibc выберите 1е-10, Зе-10, 5е-10, 1е-9 А и для этих значений измерьте Uos. и сравните с данными расчетов по формуле (10.3); в случае их расхождений попытайтесь объяснить причину, используя эквивалентную схему на рис. 4.72 (заметим, что формула (10.3) получена в предположении, что входные токи Ibc имеют одинаковое направление — или втекающие или вытекающие из входных зажимов ОУ в зависимости от типа используемых во входных каскадах транзисторов);
Э установите Vos=0,Ibc=0, и для Ioff выберите 1е-10, Зе-10, 5е-10 А; для каждого значения Ioff измерьте Uoos и сравните с данными расчетов по формуле (10.4); повторите опыт при Ibc=1е-9 А, после чего сделайте вывод о взаимном влиянии Ioff и Ibc.
Заметим, что размерность и обозначения коэффициента передачи зависят от значений и величин входного и выходного сигнала, например, S=Iвых/Uвх — носит название коэффициента преобразования напряжения в ток; W=Pвых/Iвх — коэффициент преобразования тока в мощность. В частном случае, когда входное и выходное значения сигнала являются однородными, коэффициент передачи называют коэффициентом усиления, который в зависимости от характера входной или выходной величин подразделяют на: коэффициент усиления по напряжению Ku=Uвых/Uвх, коэффициент усиления по току Кi=Iвых/Iвх, коэффициент усиления по мощности Kp=Pвых/Pвx и соответственно в логарифмических единицах Ku=201g(Uвых/Uвх), Ki=201g(Iвых/вх), Kр=101g(Pвых/Pвх).
Многообразие усилительных устройств на ОУ не исчерпывается рассмотренными выше схемами и определяется видом используемой обратной связи. В общем случае обратной связью в электронных усилителях называют связь, которая обеспечивает передачу сигналов из выходных цепей усилителя во входные. Выходной сигнал усилителя в виде напряжения или тока через цепь обратной связи частично или полностью поступает на вход, где происходит вычитание (или сложение) входного сигнала и сигнала обратной связи. Таким образом, на вход усилителя будет поступать сигнал, равный разности или сумме входного сигнала и сигнала обратной связи. В качестве цепей обратной связи обычно используют пассивные цепи, частотные характеристики которых существенно влияют на свойства усилительного устройства в целом.
Приведем определения некоторых наиболее распространенных терминов, используемых в теории усилителей с обратной связью. Петлей обратной связи называют замкнутый контур, включающий в себя цепь обратной связи и часть усилителя между точками подключения обратной связи. Местной обратной связью (местной петлей обратной связи) принято называть обратную связь, охватывающую отдельные каскады или части усилителя. Общей обратной связью называют такую обратную связь, которая охватывает весь усилитель. Обратную связь называют отрицательной, если она уменьшает коэффициент усиления, и положительной, если увеличивает.
Элементы обратной связи всегда существуют в любых усилителях, даже если их не создают искусственным путем. Они обусловлены наличием емкостных, индуктивных и гальванических связей и называются паразитными. Такие обратные связи трудно поддаются расчету и при неправильном проектировании и монтаже усилителя могут привести к его самовозбуждению.
В схемной реализации усилителя и цепи обратной связи возможны варианты, когда обратная связь существует либо только для медленно изменяющейся составляющей выходного сигнала, либо только для переменной составляющей, либо для произвольных значений. В этих случаях говорят, что обратная связь осуществляется по постоянному току, по переменному току, как по постоянному, так и по переменному току. В схеме на рис. 10.48 (см. разд. 10.15) используется обратная связь как по постоянному, так и по переменному току.
В зависимости от способа формирования сигнала обратной связи различают:
обратную связь по напряжению, когда сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению; обратную связь по току, когда сигнал обратной связи пропорционален выходному току; комбинированную обратную связь, когда сигнал обратной связи пропорционален как напряжению, так и току выходной цепи.
По способу введения во входную цепь сигнала ОС различают: последовательную (напряжение сигнала ОС суммируется с входным напряжением), параллельную (ток цепи ОС суммируется с током входного сигнала) и смешанную (с входным сигналом суммируются ток и напряжение цепи ОС).
Для количественной оценки степени влияния цепи обратной связи используют коэффициент обратной связи р, который показывает, какая часть выходного сигнала поступает на вход усилителя; например, для инвертирующего усилителя на рис. 10.1,aB=Rl/R3.
Рассмотрим, как изменяются основные параметры усилителя при введении ОС.
Коэффициент усиления. При положительной обратной связи входной сигнал и сигнал ОС суммируются и коэффициент усиления усилителя определяется выражением: K=Ko/(l-BKo), где Кo — коэффициент усиления усилителя без обратной связи (параметр А в диалоговом окне ОУ). Произведение BКo называют петлевым усилением, а (1-BKo) — глубиной обратной связи.
Значение петлевого усиления при положительной обратной связи ограничено условием BКo<1. При BКo>>1 усилитель становится автогенератором и не может рассматриваться как усилитель, так как выходной сигнал перестает быть однозначно зависимым от входного. Если BКo>1, то любой входной сигнал, вызванный наводками или колебаниями параметров активных элементов, усилится и вернется на вход усилителя равным или больше входного. Суммируясь с ним, он вызывает появление большего выходного сигнала, который, в свою очередь, суммируется с входным и вызывает дальнейшее увеличение выходного сигнала. В итоге любой сигнал, возникший в линейной усилительной цепи, охваченной положительной ОС, вызовет появление выходного сигнала, значение которого нарастает и стремится к бесконечности. В реальном усилителе такое усиление невозможно из-за ограничений выходного сигнала. В результате будет не "бесконечно" большое усиление, а возникновение незатухающих колебаний. Форма колебаний зависит от параметров цепи обратной связи и коэффициента усиления усилителя.
Так как сигнал положительной ОС суммируется с входным сигналом, то дополнительным условием возникновения автоколебаний является нулевой сдвиг фазы между этими сигналами. Таким образом, если на какой-то частоте выполняются условия BКo>1 и фаза ф=0°, то усилитель самовозбуждается, причем, если эти условия выполняются только на одной частоте, то сигнал автоколебаний будет иметь синусоидальную форму. Если условия самовозбуждения выполняются в полосе частот, выходной сигнал будет иметь несинусоидальную форму.
Если усилитель или цепь ОС вносит фазовый сдвиг, равный 180°, то входной сигнал и сигнал обратной связи вычитаются друг из друга и ОС становится отрицательной. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью в этом случае К=Кo/(1+BКo). Поскольку для инвертирующего усилителя на рис. 10.1, a B=Rl/R3, то формула K=R3/R1 для расчета усиления на постоянном токе справедлива только при BКo>>1. Это условие является необходимым и для соотношений, использованных нами при анализе сумматоров, интеграторов и других рассматриваемых ниже устройств.
Расчеты показывают [48], что относительное изменение коэффициента усиления усилителя, охваченного отрицательной ОС, вызванное относительным изменением коэффициента усиления самого усилителя, уменьшается в (1+BКo) раз. Изменения параметров цепи обратной связи существенно влияют на коэффициент усиления усилителя, поэтому к их стабильности предъявляют повышенные требования. Например, усилитель имеет параметры Ко =104, B= 0,1; К = 9,990. В результате старения элементов и изменения напряжения питания коэффициент усиления усилителя уменьшился в два раза и стал равным К=5.103. Тогда относительное изменение коэффициента усиления усилителя составит всего 0,2%. Изменение же в два раза коэффициента обратной связи (B=0,05) приведет к изменению коэффициента усиления на 50%.
Таким образом, если выполняется условие BКо>>1, то можно считать, что К не будет зависеть от параметров усилителя и будет примерно равен 1/B. Если цепь отрицательной обратной связи вносит небольшие фазовые сдвиги, то при BКo>>1 фазовый сдвиг усилителя существенно уменьшается и определяется в основном фазовым сдвигом цепи обратной связи.
Выходное сопротивление усилителя зависит от того, каким образом вводится ОС. Если отрицательная ОС вводится по напряжению, то выходное сопротивление уменьшается, если по току -— увеличивается.
Введение ОС широко используется для целенаправленного изменения выходного сопротивления и позволяет реализовать усилители с очень малыми (сотые доли ом) и очень большими (сотни — тысячи мегом) выходными сопротивлениями. При введении ОС по напряжению усилитель приближается к идеальному источнику напряжения, выходной сигнал которого мало изменяется при различных сопротивлениях нагрузки. ОС по току стабилизирует ток нагрузки, приближая усилитель к идеальному источнику тока.
Входное сопротивление также зависит от способа введения во входную цепь сигнала ОС. При ее отсутствии входное сопротивление определяется входными напряжением и током усилителя. При последовательной схеме введения ОС входное сопротивление увеличивается в (1+BКо) раз при отрицательной обратной связи и уменьшается в (1-BКo) раз при положительной.
Введение параллельной ОС эквивалентно включению параллельно входному сопротивлению усилителя дополнительного сопротивления, в результате чего входное сопротивление уменьшается как при отрицательной, так и при положительной ОС. При больших Кo и малом сопротивлении в цепи обратной связи входное сопротивление может составить десятые и тысячные доли ом.
Таким образом, применение ОС позволяет управлять значением входного сопротивления и обеспечивать как достаточно высокие (десятки — тысячи мегом), так и очень малые (десятые — тысячные доли ом) его значения.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое масштабирующий преобразователь, какие схемы используются для его реализации?
2. Используя описанную выше методику определения рабочего диапазона частот ОУ, проведите с помощью схемы на рис. 10.2 сравнительный анализ ОУ следующих типов: LF157 (К140УД23), LM108 (К140УД14), LM358 (К140УД5) и МС1456 (К140УД6). Выберите ОУ с максимальной граничной частотой.
3. Проведите моделирование влияния напряжения смещения нуля и паразитных входных токов ОУ на его выходное напряжение, используя схему на рис. 10.4. Проведите сравнительный анализ дестабилизирующих параметров ОУ, перечисленных в п. 2.
4. Приведите основные определения, используемые в теории усилителей с ОС.
5. Назовите тип ОС, используемой в инвертирующем усилителе на ОУ и эмиттер-ном повторителе (параллельная, последовательная, по току, по напряжению).
6. Какое влияние оказывает отрицательная ОС на стабильность коэффициента усиления?
7. Назовите условия устойчивой работы усилителя с ОС.
8. Каким образом влияет обратная связь на входное и выходное сопротивление усилителя?
9. Для усилителя на рис. 10.4 коэффициент усиления K=Uo/Ui=R2/Rl=1000. Следовательно, при входном напряжении 1 мВ выходное напряжение должно быть равно 1 В, а вольтметр показывает 500 мВ. Объясните причину такого явления.
Рис. 10.4. Инвертирующий усилитель
