Читальный зал -->  Полупроводниковая схемотехнология 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 [ 45 ] 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168

11.4. СХЕМЫ ИНТЕГРИРОВАНИЯ

Наиболее важное значение для аналоговых вычислителей имеет применение операционных усилителей для реализации операций интегрирования. В общем случае интегратор описывается выражением

иМ = K\Ug{i)di+ t/ (t = 0). . о

11.4.1. ИНВЕРТИРУЮЩИЙ ИНТЕГРАТОР

Интегратор на рис. 11.6 построен на основе инвертирующего усилителя, в котором резистор обратной связи заменен конденсатором С. В этом случае выходное напряжение описывается выражением

i. = - = -[bc(tVf+e ],

где Qq-величина заряда, которая была на конденсаторе к моменту начала интегрирования (с = 0). Учитывая, что Iq = - UJR, можно записать

КС n

Если входной сигнал представляет собой переменное напряжение, изменяющееся по косинусоидальноМу закону, т.е. = = Ug cos cot, то формула для выходного напряжения будет иметь следующий вид:

и At) = -

ие cos Oitdt+ UaO

Как видно из этого выражения, амплитуда выходного сигнала обратно пропорциональна круговой частоте ю. Амплитудно-частотная характеристика в логарифмическом масштабе имеет вид прямой с наклоном -6 дБ на октаву. Это является простым критерием, с помошью которого можно определить, является ли схема интегратором.

Такая амплитудно-частотная характеристика интегратора может быть получена непосредственно при использовании символического представления реактивных сопротивлений в виде комплексных чисел:

Постоянный член Uo определяет начальное условие интегрирования: L/ q = = Ua{t = 0) = Qo/C. С помощью специальных мер можно реализовать любые начальные условия.

Рассмотрим два особых случая. Если входное напряжение постоянно, то изменение выходного сигнала описывается формулой

и.= -{UJRQt+Uo,

т.е. выходной сигнал линейно возрастает со временем. Поэтому рассмотренная схема оказывается пригодной для формирования пилообразного напряжения.

А = и а/и е = - iZjo/R) = - (1/7С0ЯС).

(11.8)

Отсюда можно получить соотношение для расчета амплитуды выходного сигнала:

UJUe = U I = 1/wRC.

Оценивая стабильность схемы, следует отметить, что в противоположность ранее рассмотренным схемам отрицательная обратная связь в этом случае вызывает фазовый сдвиг, т.е. коэффициент обратной связи будет комплексным:

Го 9.

Т i 1

Рис. 11.6. Инвертирующий интегратор.

Вшолное иапряжеяие U. = - (1/RC)J UAt)dt + Uo-

Ue = 0

jcoRC 1 + JdiRC

(11.9)

Для высоких частот fe 1 и его фазовый

сдвиг будет нулевым. В этой частотной области к схеме предъявляются те же требования, что и к инвертирующему усилите-

Рис. 11.7. Частотная характеристика коэффициента усиления цепи обратной связи д.

лю с отрицательной обратной связью (см. гл. 7). Поэтому здесь также следует ввести коррекцию частотной характеристики. Для этого, как правило, используют усилитель с внутренней коррекцией, включенный по схеме интегратора.

Типичная частотная характеристика, необходимая для~реализации операции интегрирования, приведена на рис. 11.7. Постоянная интегрирования х = RC принята равной 100 МКС. Из рис. 11.7 видно, что при этом максимальное усиление цепи обратной связи составит \ д \ = \ кАо\~ 600, т.е.

будет обеспечена точность интегрирования У\д\х 0,2%. В отличие от инвертирующе-гоилителя эта точность уменьшается не только для высоких, но и для низких частот.

При использовании реального операционного усилителя следует учитывать входной ток 1в при отсутствии сигнала и смещение нуля усилителя (наличие напряжения Uq), поскольку влияние этих параметров увеличивается со временем. При установке нулевого входного напряжения Ug через конденсатор будет течь ток, обусловленный наличием указанных источников погрешностей:

1с = (Uo/R) + Ib.

Вследствие этого будет изменяться выходное напряжение:

dUJdt = 1/CliUJR) + 1в1 (11.10)

При токе 1в, равном 1 мкА, выходное напряжение будет увеличиваться на 1 В каждую секунду, если С = 1 мкФ. Из уравнения (11.10) следует, что при заданной постоянной времени вклад входного тока при отсутствии сигнала будет тем меньше, чем большее значение емкости С используется в интеграторе. Вклад Uq остается постоянным. Однако величина емкости конденсатора С не может быть выбрана произвольно большой. Поэтому значение его емкости следует выбирать так, чтобы влияние 1в не превысило влияние Uq. Для этого необходимо, чтобы выполнялось условие

1в < Uo/R = UqC/t.

Если нужно с помощью конденсатора емкостью 1 мкФ получить постоянную интегрирования т, равную 1 с, то необходимо использовать операционный усилитель, напряжение Uq которого не должно превышать 1 мВ, а входной ток при отсутствии сигнала должен быть не более

Ig = (1 мкФ 1 мВ)/1 с = 1 нА.

Рис. 11.8. Интегратор с компенсацией тока покоя.

Операционный усилитель с биполярными транзисторами на входе вряд ли будет иметь такое низкое значение тока при отсутствии сигнала. Поэтому остается единственный выход-компенсировать этот ток (рис. 11.8). Величина сопротивления должна быть того же порядка, что и сопротивление R. Падение напряжения на этом сопротивлении будет равно RIb- Если и, = О, то вследствие того что Vx Vp, через сопротивление R будет течь ток

/ = V/R = IgR/R = Ig.

При этом ток через конденсатор С будет равен нулю. Теперь остается скомпенсировать таким же образом небольшой сдвиг входных токов, соответствующий сдвигу входного напряжения, с помощью незначительного изменения сопротивления R. Не-скомпенсированным остается лишь дрейф сдвига входных токов, который для операционных усилителей на биполярных транзисторах может быть достаточно большим. Поэтому лучше всего применить операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе, для которого входной ток при отсутствии сигнала настолько мал, что нет необходимости в компенсации.

Еще один источник погрешности интегратора-ток утечки конденсатора обратной связи. У электролитических конденсаторов ток утечки порядка микроампер, поэтому их использование в интеграторах недопустимо. Можно рекомендовать для этих целей металлобумажные конденсаторы, однако их использование при емкости свыше 10 мкФ крайне неудобно.

11.4.2. ЗАДАНИЕ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ

Интегратор только тогда удобен, когда напряжение [/ (t = 0) на его выходе можно задавать независимо от входного напряжения. Это можно получить с помощью дополнительных цепей, показанных на схеме рис. 11.9. Схема позволяет останавливать процесс интегрирования и задавать необходимые начальные условия.

Когда ключ Sj замкнут, а разомкнут, эта схема работает так же, как цепь, изображенная на рис. 11.6: интегрируется на-

пряжение Ul. Если же теперь ключ Si разомкнуть, то зарядный ток при идеальном интеграторе будет равен нулю, а выходное напряжение сохранит значение, соответствующее моменту выключений. Этот режим используется при прерывании интегрирования, когда на выходе интегратора необходимо поддерживать постоянное значение напряжения. Для задания начальных

Рис. 11.9. Интегратор с тремя режимами работы: интегрированием, выдержкой и заданием начальных условий.

Начальные условия: = 0) = - (R R2)t/2.

условий следует разомкнуть ключ Si и замкнуть ключ $2. В этом режиме интегратор работает как инвертирующий усилитель с выходным напряжением

t7 = -(R/R2)U2.

Это напряжение устанавливается, однако, с определенной задержкой, величина которой определяется постоянной времени RnC.

На рис. 11.10 приведена схема интегратора с электронной реализацией переключателей режимов работы. Полевые транзисторы Ti и Т2 выполняют роль ключей Si и S2 на схеме рис. 11.9. Транзисторы будут открыты при наличии соответствующих управляющих напряжений, больших нуля. Если управляющие напряжения отрицательны, транзисторы будут заперты. Более подробно функции переключателей на полевых транзисторах, а также роль диодов Dl - будут описаны в гл. 17.

Повторитель ОУ 2 предназначен для уменьшения постоянной времени установки начальных значений интегратора: вместо RC она будет равна гораздо меньшему значению ЯохоткрС.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 [ 45 ] 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.