Taxitaxitaxi.ru

Эволюшн
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Операционный усилитель

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ; англ.  operational amplifier , OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент усиления/передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

История [ править | править код ]

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или иных активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

Первые промышленные ламповые ОУ (1940-е годы) выполнялись на паре двойных триодов, в том числе в виде отдельных конструктивных сборок в корпусах с октальным цоколем. В 1963 году Роберт Видлар (инженер фирмы «Fairchild Semiconductor») спроектировал первый ОУ интегральный схемы — интегральный ОУ. Этим ОУ стал μA702. При цене в 300 долларов прибор, содержавший 9 транзисторов, использовался только в военной электронике. Первый общедоступный интегральный ОУ — μA709, — также спроектированный Видларом, был выпущен в 1965 году. Вскоре после выпуска его цена упала ниже 10 долларов, что было всё ещё слишком дорого для бытового применения, но вполне доступно для массовой промышленной автоматики и т. п. гражданского применения.

В 1967 году фирма «National Semiconductor», куда перешёл работать Видлар, выпустила интегральный ОУ LM101, а в 1968 году фирма Fairchild выпустила ОУ, практически идентичный μA741 — первый ОУ со встроенной частотной коррекцией. ОУ LM101/μA741 был более стабилен и прост в использовании, чем предшественники. Многие производители до сих пор выпускают версии этого классического чипа (их можно узнать по числу «741» в индексах моделей). Позднее были разработаны ОУ и на иной элементной базе — на полевых транзисторах с p-n переходом (конец 1970-х годов) и с изолированным затвором (начало 1980-х годов), что позволило существенно улучшить ряд характеристик. Многие из более современных ОУ могут быть установлены в схемы, спроектированные для 741 без каких-либо доработок, при этом характеристики схемы только улучшатся.

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко. ОУ, вероятно, наиболее часто встречающийся элемент в аналоговой схемотехнике. Добавление лишь нескольких внешних компонентов делает из ОУ конкретную схему аналоговой обработки сигналов. Многие стандартные ОУ сто́ят всего несколько центов в крупных партиях ( 1000 шт ), но усилители с нестандартными характеристиками (в интегральном или дискретном исполнении) могут стоить 100$ и выше.

Обозначения [ править | править код ]

На рисунке показано схематичное изображение операционного усилителя. Выводы имеют следующие значения:

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ и необходимы для его функционирования. Однако, существуют операционные усилители, не имеющие неинвертирующего входа [1] . В частности, такие ОУ находят применение в аналоговых вычислительных машинах (АВМ).

ОУ, применяемые в АВМ, принято делить на пять классов, из которых ОУ первого и второго класса имеют только один вход.

Операционные усилители первого класса — усилители высокой точности (УВТ) с одним входом. Предназначены для работы в составе интеграторов, сумматоров, устройств слежения-хранения. Высокий коэффициент усиления, предельно малые значения смещения нуля, входного тока и дрейфа нуля, высокое быстродействие обеспечивают снижение погрешности, вносимой усилителем, ниже 0,01 %.

Операционные усилители второго класса — усилители средней точности (УСТ), имеющие один вход, обладающие меньшим коэффициентом усиления и большими значениями смещения и дрейфа нуля. Эти ОУ предназначены для применения в составе электронных устройств установки коэффициентов, инверторов, электронных переключателей, в функциональных преобразователях, в множительных устройствах.

Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы, предназначенные, например, для установки тока покоя, частотной коррекции, балансировки или других функций.

Выводы питания (VS+ и VS−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

Основы функционирования [ править | править код ]

Питание [ править | править код ]

В общем случае ОУ использует двухполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода со следующими потенциалами:

  • U+, к которому подключается VS+;
  • 0 (нулевой потенциал);
  • U, к которому подключается VS-.

Вывод источника питания с нулевым потенциалом непосредственно к ОУ обычно не подключается, но, как правило, является сигнальной землёй и используется для создания обратной связи. Часто вместо двухполярного используется более простое однополярное, а общая точка создаётся искусственно или совмещается с отрицательной шиной питания.

ОУ способны работать в широком диапазоне напряжений источников питания, типичное значение для ОУ общего применения от ±1,5 В [2] до ±15 В при двухполярном питании (то есть U+ = 1,5…15 В, U = −15…-1,5 В, допускается значительный перекос).

Читайте так же:
Регулировка развала схождения колес москвич 2141

Простейшее включение ОУ [ править | править код ]

Рассмотрим работу ОУ как отдельного дифференциального усилителя, то есть без включения в рассмотрение каких-либо внешних компонентов. В этом случае ОУ ведёт себя как обычный усилитель с дифференциальным входом, то есть поведение ОУ описывается следующим образом:

V o u t = ( V + − V − ) ⋅ G o p e n l o o p , >=(V_<+>-V_<->)cdot G_ >,>(1)
  • Vout — напряжение на выходе;
  • V+ — напряжение на неинвертирующем входе;
  • V —напряжение на инвертирующем входе;
  • Gopenloop — коэффициент усиления при разомкнутой петле, то есть собственный коэффициент усиления ОУ, без обратной связи.

Все напряжения считаются относительно общей точки схемы. Рассматриваемый способ включения ОУ (без обратной связи) практически не используется [3] вследствие присущих ему серьёзных недостатков:

  • собственный коэффициент усиления нормируется в очень широких пределах и может изменяться в тысячи раз (зависит сильнее всего от частоты сигнала и температуры);
  • собственный коэффициент усиления очень велик (типичное значение 10 6 на постоянном токе) и не поддаётся регулировке;
  • точка отсчёта входного и выходного напряжений не поддаётся регулировке.

Идеальный операционный усилитель [ править | править код ]

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:

  1. бесконечно большой собственный коэффициент усиления [4] ;
  2. бесконечно большое входное сопротивление входов V и V+, то есть ток, протекающий через эти входы, равен нулю;
  3. нулевое выходное сопротивление выхода ОУ;
  4. способность выставить на выходе любое значение напряжения;
  5. бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ; от постоянного тока до бесконечности.

Пункты 5 и 6 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в неё не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из формулы (1) следует, что для поддержания нужного напряжения на выходе необходимо поддерживать следующую разность входных напряжений:

Так как собственный коэффициент усиления идеального ОУ бесконечно большой, то разность входных напряжений стремится к нулю. Отсюда следует важнейшее свойство идеального ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

Идеальный ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, поддерживает одинаковое напряжение на своих входах [5] [6]

Другими словами, при указанных условиях всегда выполняется равенство:

V + − V − = 0 -V_<->=0>(2)

Не следует думать, что ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на входы «изнутри». На самом деле ОУ выставляет на выходе такое напряжение, которое через обратную связь подействует на входы таким образом, что разность входных напряжений уменьшится до нуля.

Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

Простейшие схемы с обратной связью [ править | править код ]

Из рассмотрения принципа работы идеального ОУ следует очень простая методика проектирования схем:

Пусть необходимо построить цепь на ОУ с требуемыми свойствами. Требуемые свойства заключаются прежде всего в заданном состоянии выхода (выходное напряжение, выходной ток и т. д.), которое, возможно, зависит от какого-либо входного воздействия. Для создания схемы нужно подключить к ОУ такую обратную связь, чтобы при требуемом выходном состоянии достигалось равенство напряжений на входах ОУ (инвертирующем и неинвертирующем), а обратная связь была бы отрицательной.

Таким образом, требуемое состояние системы будет устойчивым состоянием равновесия, и система будет в нем находиться неограниченно долго [7] . Пользуясь этим упрощённым подходом, несложно получить простейшую схему неинвертирующего усилителя.

Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов

Вебинар «Новые решения STMicroelectronics в области спутниковой навигации» (17.11.2021)

Предлагаемый усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ) может использоваться для «мягкого» и с минимальными искажениями ограничения уровня сигнала относительно его пикового значения. Последнее важно подчеркнуть: управление усилением происходит не по среднеквадратичному значению сигнала, а именно по абсолютному. Это бывает необходимо для некоторых систем обработки речи, систем связи и т. д.

Обычные усилители с АРУ в таких приложениях работать корректно не могут и, кроме того, имеют довольно высокие уровни общих гармонических искажений. Поскольку опираются они на среднеквадратичный уровень сигнала и, следовательно, имеют задержку реакции АРУ, такие усилители часто отличаются еще одной весьма неприятной особенностью, которую можно назвать «временное замирание сигнала» или «схлопывание». Этот эффект проявляется в усилителе с АРУ, когда схема регулировки усиления начинает работать в режиме захвата, то есть, когда управление сигналом по обратной связи АРУ «включено». Это присущее таким усилителям свойство, которое проявляется в мгновенном снижении уровня сигнала с его последующим медленным нарастанием до точки регулирования передаточной характеристики.

Кроме того, используемые обычно простые усилители с АРУ по разному реагируют на положительные и отрицательные полуволны сигнала, поскольку, как правило, используют однополупериодный выпрямитель. Иногда это может быть недопустимо, например, если строго задан уровень модуляции, или если недопустима перегрузка АЦП. Указанные негативные эффекты должны быть исключены, в особенности в тех системах, которые предназначены для передачи или обработки речи, где первостепенное значение имеет речевая разборчивость. Принципиальная схема «мягкого» ограничителя сигналов без перечисленных выше недостатков представлена на Рисунке 1.

Рисунок 1.Мягкий ограничитель уровня сигнала.

Устройство состоит из регулируемого аттенюатора (R4, RDS_VТ1), усилителя (DA1-1), прецизионного двухполупериодного выпрямителя (DA1-2, DA1-3) и порогового элемента управления (VT2) с емкостным интегратором (R7, C4). (RDS_VТ1 – сопротивление канала VT1). Входной сигнал поступает на усилитель через регулируемый аттенюатор. В отличие от обычных устройств, этот аттенюатор необходимо настроить таким образом, чтобы входной сигнал сразу был ослаблен примерно на 1 дБ. Это должно быть выполнено при отключенной обратной связи по АРУ. Регулировка производится подстроечным резистором R6. Последнее исключительно важно, поскольку именно эта настройка полностью устраняет вредный эффект, названный выше как «временное замирание сигнала».

В предлагаемом устройстве в качестве регулирующего звена АРУ используется p-канальный полевой транзистор (VT1) с большим напряжением отсечки (VGS_OFF) и с подходящим сопротивлением канала в открытом состоянии (RDS_ON). Оптимальным будет транзистор с VGS_OFF в пределах от 3 до 7 В и RDS_ON порядка 400 — 200 Ом.

Выбор типа регулирующего транзистора весьма важен, так как он влияет на снижение эффекта «временного замирания сигнала».

Сопротивление канала транзистора VT1 в открытом состоянии (RDS_ON) вместе с номинальным значением резистора R4 определяет максимальный динамический диапазон устройства в части глубины регулировки АРУ. Вычислить этот диапазон можно по формуле

Причиной высоких общих гармонических искажений обычных усилителей с АРУ являются большие нелинейные искажения, вносимые регулируемым аттенюатором. Снизить эти искажения можно с помощью специальной дополнительной RC-цепочки (C3, R13, R14), то есть путем введения в регулирующий элемент VT1 отрицательной обратной связи по затвору. Вторая проблема (реакция на амплитуду любого знака) решается путем использования схемы прецизионного двухполупериодного выпрямителя.

Важным элементом цепи управления является транзистор VT2, изменяющий напряжение на затворе транзистора VT1 в соответствии с абсолютным уровнем входного сигнала. При снижении напряжения на затворе VT1 уменьшается его сопротивление, что, соответственно, уменьшает коэффициент передачи аттенюатора. Таким образом, уровень выходного сигнала схемы не будет превышать установленного значения тех пор, пока напряжение на затворе транзистора VT1 не станет равным нулю. В этом случае транзистор VT1 будет полностью открыт.

Разборчивость речи зависит от постоянной время интегратора (R7, С4), которая может быть подобрана экспериментально. Приемлемыми для речевого сигнала значениями будут R7 = 330 кОм и C4 = 10 мкФ. Подстроечным резистором R12 устанавливается необходимое максимальное значение амплитуды выходного сигнала. Подчеркнем еще раз, что схема не работает со среднеквадратичными значениями! Естественно, что максимальная амплитуда выходного сигнала не может быть меньше, чем порог включения VT2, для слаботочных кремниевых транзисторов равный примерно 0.68 В. Именно до этого значения амплитуды усилитель ведет себя как обычный линейный, а затем меняет свой коэффициент передачи, фиксируя максимальную амплитуду сигнала на новом уровне, после чего опять работает линейно без компрессии до восстановления интегратора и нового захвата. Необходимый уровень входного сигнала может быть установлен выбором соответствующего коэффициента усиления DA1–1, который можно рассчитать по формуле

Естественно, что это справедливо только в рабочей полосе частот.

Описанное устройство имеет очень малое время отклика, составляющее менее половины периода входного сигнала.

Выводы

Основные особенности мягкого ограничителя:

  • Прецизионный двухполупериодный выпрямитель;
  • Пороговый элемент управления с интегратором;
  • P-канальный полевой транзистор в качестве управляющего элемента аттенюатора (VT1) должен выбираться с высоким напряжением отсечки (VGS_OFF);
  • Предварительная установка рабочей точки управляющего транзистора аттенюатора (VT1);
  • Введение в регулирующий элемент аттенюатора отрицательной обратной связи, минимизирующей нелинейные искажения.

Впервые это устройство использовалось автором в качестве ограничителя модуляции в одном из его персональных проектов. Здесь было необходимо обеспечить условие, чтобы амплитуда сигнала (в любой промежуток времени и любой полярности) не превысила строго заданный уровень. Это требование должно было выполняться в широком динамическом диапазоне входных сигналов, при низком уровне общих гармонических искажений и без заметного искажения артикуляции. Таким образом, использование известных схем ограничения было невозможным. Автором было проверено много технических решений, в результате чего выяснилось, что проект, представленный на Рисунке 1 – наилучший.

Это же решение автор использовал в составе музыкальной системы в качестве автоматического микшера ди-джея. В этом варианте на вход устройства через сумматор подавались два сигнала (музыка и голос), но их общий уровень автоматически поддерживался постоянным. Так, уровень музыкального сигнала без ручного микширования автоматически уменьшался, как только ди-джей начинал говорить, и плавно возвращался на заданный прежний уровень, если ди-джей замолкал. При этом отсутствовала перегрузка усилителей и акустических систем. Эта же идея использовалась и в качестве базы для прецизионного генератора синусоидальных сигналов на основе моста Вина. Результаты использования такого решения были превосходны и превзошли все ожидания.

Примечание редакции

Эта публикация может считаться дополнением к изданной нами ранее статье «Практика использования ИМС усилителей с АРУ серии SSM21xx» (РадиоЛоцман, 2014, май, июнь), в которой был описан усилитель с АРУ по среднеквадратичному значению сигнала.

Уменьшение нелинейных искажений основанного на полевом транзисторе регулирующего звена аттенюатора за счет введения отрицательной обратной связи описывается, например, в книге: Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника» 12-е изд.: Пер. с нем. – М., ДМК Пресс, 2007.

Описание использованного в рассмотренной схеме двухполупериодного выпрямителя можно найти в книге: Л. Фолкенберри «Применение операционных усилителей и линейных ИС», Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. Обе книги имеются в Интернете и доступны для скачивания. В таком выпрямителе для повышения точности на малых сигналах лучше использовать диоды Шоттки, например, BAS40-04, но для рассматриваемой схемы это несущественно.

Значение сопротивления канала в открытом состоянии RDS_ON для маломощных полевых транзисторов не всегда приводится в спецификациях, но его легко вычислить через крутизну (S) транзистора, так RDS_ON = 1/S. Кстати, в схеме можно использовать отечественный полевой транзистор КП103М1: S = (1.3…4.4) мА/В, VGS_OFF = (2.8…7) В.

Если максимальная амплитуда выходного сигнала должна быть меньше указанного в статье значения 0.68 В, то следует изменить коэффициент усиления в двухполупериодном выпрямителе. Необходимое усиление устанавливается увеличением номиналов резисторов R11 и R3 относительно номиналов остальных резисторов выпрямителя. Для правильной работы выпрямителя не забывайте соблюдать соотношения номиналов резисторов R11 = R3, R5 = R1 = R2. При этом коэффициент усиления выпрямителя рассчитывается как KU = R3/R5.

Автоматическая регулировка усиления операционного усилителя

В приемниках малой сложности применяется простая АРУ, которая обеспечивает изменение уровня сигнала на выходе РЧ около 6 дБ при изменении не более 26 дБ на его входе. В такой схеме построения АРУ исключается усилитель и детектор. А чтобы уменьшить ее влияние на коэффициент нелинейных искажений в некоторых приемниках малой сложности применяют регулировку рабочей точки детектора.

В приемниках высокой сложности применяют более продвинутые цепи АРУ, а именно – комбинированные. В таких цепях реализованы задержка уровня срабатывания и усиление управляющего напряжения. Здесь автоматической регулировкой усиления могут быть охвачены каскады УРЧ, преобразователи частот (ПЧ), первые каскады УПЧ, где небольшие уровни сигналов, на которые мало влияет изменение режимов транзисторов. При этом следует учитывать, что охват АРУ в перечисленных выше каскадах должен осуществляться таким образом, чтобы не было перегрузок последующих каскадов, а также происходило увеличение сигнал-шум. Все это достигается при правильно рассчитанной АРУ. Например, если крутизна регулирования в каскаде УРЧ будет больше, чем в УПЧ, то в итоге с полезным сигналом будут усиливаться и помехи частотно-преобразовательного каскада. А при большой крутизне регулирования в УПЧ возможно некоторое ограничение сигнала в УРЧ. Поэтому для получения высокого качества вещания приемных устройств, нужно правильно распределить усиление по всему радиотракту.

Рассмотрим принцип работы АРУ на основе вещательного приемника «Сокол-308». Сокол-308

Как мы видим, напряжение АРУ положительной полярности снимается с выхода диода VD4 и через фильтр звуковых частот, реализованный на R9C7, подается сначала на диод VD2, а затем на базу VT2. Основное назначение этого транзистора – усиление сигнала промежуточной частоты, второстепенное – это усиление напряжения АРУ. Причем транзистор VT2 усиливает его так, что падение напряжения на R7 значительно уменьшается, что приводит к открыванию диода VD1, включенного по переменному току параллельно ФПЧ в цепи коллектора VT1. Динамическое сопротивление VD1 уменьшается, уменьшается и резонансное сопротивление ФПЧ на L1C2, что приводит и к уменьшению усиления в частотно-преобразовательном каскаде. Эффективность такой АРУ составляет порядка 40 дБ.

На следующем (рис. 3) показан каскад, выполненный по схеме двух транзисторов (с общим коллектором и общей базой). АРУДифференциальное включение VT1 и VT2 позволяет добиться эффективного регулирования по постоянному току. Для того чтобы VT2 надежно закрылся, нужно обеспечить разность напряжения между базами транзисторов порядка 200 мВ. Такой каскад достаточно прост в повторении и не требует огромного количества деталей. А в цепях эмиттера используются блокировочные конденсаторы малой емкости, что позволяет применить такую схему в качестве основного элемента для микросхем 174ХА10 и 174ХА2.

Не менее эффективным способом регулирования АРУ является применение в схемах линейных и нелинейных делителей напряжения, которые управляются током или напряжением. Рассмотрим схему диодного делителя напряжения в схеме АРУ, которая применяется в УРЧ приемника «Виктория-Стерео-001» (рис. 4).

При максимальном усилении сигнала VD1 закрыт, а VD1 открыт. Малое динамическое сопротивление VD2 в цепи эмиттера создает неглубокую отрицательную обратную связь по току. При увеличении напряжения АРУ VD1 открывается и шунтирует катушку связи с входным контуром. При этом добротность контура уменьшается, вызывая соответственно и уменьшение уровня входного сигнала. АРУ_sokolПри этом возрастает динамическое сопротивление VD2, а также глубина отрицательной обратной связи в УРЧ, что значительным образом помогает осуществлять неискаженное усиление возросшего сигнала при уменьшенном коэффициенте передачи.
Существует еще один вариант управляемых делителей напряжения, которым может служить УРЧ микросхемы 174ХА2 (рис.5). На этой схеме диоды VD2 и VD5 используются в качестве элементов связи между транзисторами VT2 и VT5. Транзисторы VT1, VT3 и VT5 смещены в прямом направлении при отсутствии управляющего напряжения на входе УПТ. Другие диоды VD1 и VD4 закрыты и поэтому не шунтируют резисторы R2 и R8. При таком состоянии усиление УРЧ максимально. Когда к базе транзистора VT1 поступает положительное напряжение АРУ относительно общего провода, транзистор закрывается, на его эмиттере растет напряжение, что приводит к открыванию транзистора VT3. Это, в свою очередь, приводит к падению напряжения на его коллекторе, поэтому диоды VD2 и VD5 закрываются, их динамическое сопротивление начинает увеличиваться, а коэффициент передачи между эмиттером VT2 и эмиттером VT5 уменьшается.
Дальше открываются VT4 и диоды VD1, VD3, VD4, шунтирующие выход УРЧ, при этом уменьшая коэффициент усиления. Глубина регулирования получается очень большой даже на высоких частотах коротковолнового диапазона (40дБ).

АРУ_174ХА2Наиболее эффективной АРУ с микросхемой 174ХА2 достигается при двухкольцевой цепи АРУ. При таком способе напряжение на входы УПТ, УРЧ, УПЧ подается от разных детекторов. На вход детектора АРУ первого кольца поступает напряжение с выхода смесителя частот, и регулировка в УРЧ происходит при Uвх≥500 мкВ. А регулировочное напряжение для УПЧ получают с детектора, который является общим для выходного сигнала и цепей АРУ. Одним из достоинств двухкольцевых цепей АРУ является то, что они позволяют повысить максимальное отношение сигнал-шум, а также спасают от перегрузок радиотракта при значительных уровнях входных сигналов. С сигнала, лежащего в полосе пропускания УРЧ и ФПЧ, снимается напряжение на вход детектора первого кольца. При этом сигнал ослабляется до такого уровня, который необходим для нормальной работы последующих каскадов. Следует заметить, что при этом ослабляется и полезный принимаемый сигнал, поэтому в цепях АРУ первого кольца нужно установить порог ее срабатывания при перегрузочных уровнях сигнала, а в УРЧ применить активные элементы, которые будут усиливать сигнал без искажения, например, оптрон на основе фоторезистора. Его сопротивление не будет зависеть от величины подводимого к нему напряжения, а только под воздействием светового потока.

Рассмотрим схему управляемого делителя на оптроне (рис. 6). Здесь фоторезистор, который по максиму освещен светодиодом, имеет малое сопротивление в цепи сигнала, который снимается с катушки связи с входным контуром. Когда срабатывает детектор-компаратор первого кольца АРУ, происходит уменьшение тока через светодиод, вследствие чего, увеличивается сопротивление фоторезистора и происходит уменьшение уровня сигнала на входе УРЧ. оптрон

Вариант выполнения простого детектора-компаратора показан на рис. 7, который изготовлен на операционном усилителе К140УД5А. Такая схема обладает довольно приличной чувствительностью, так как для получения полного выходного напряжения противоположного знака, на вход достаточно подать 5…7 мВ. Это решает проблему установки порога срабатывания в 100 мВ с погрешностью 10 %. Чтобы получить на выходе схемы сигнал с обратной зависимостью от входного сигнала, на операционном усилителе DA1 нужно поменять местами выводы 8 и 11.

Достоинство такой схемы детектора-компаратора состоит в том, что он отлично сочетается с двухзатворными полевыми транзисторами, высокая точность установки и поддержания заданного уровня сигнала на выходе. При применении данной схемы с двухзатворными полевыми транзисторами в каскадах УРЧ, транзистор VT1 исключается из схемы, и выходное напряжение будет сниматься с выхода операционного усилителя.

Данный детектор-компаратор работает в широком диапазоне частот вплоть до УКВ частот. Если данную схему применять наряду с микросхемой 174ХА2, то на выходе операционного усилителя DA1 требуется включить делитель напряжения из R4 и дополнительного резистора 1…2 кОм, и питание для DA1 требуется положительной полярности. на К140УД5А

Автоматическая регулировка усиления

Автоматическая регулировка усиления в связных приемниках, предназначенных для приема CW и SSB сигналов, имеет свои особенности. Отсутствие несущей обусловливает необходимость регулировки усиления по максимальному уровню сигнала, причем система АРУ должна обладать «памятью» этого уровня в течение некоторого времени. К тому же она должна обладать сравнительно небольшим временем установления. При использовании систем АРУ, характерных для приемников амплитудно-модулированных сигналов, появляются «динамические» искажения.

На рисунке приведена схема системы АРУ, предназначенной для связного транзисторного приемника.

Необходимые характеристики ее достигнуты тем, что функции запоминания уровня сигнала и определения времени «памяти» этого уровня разделены между независимыми цепями.

Сигнал промежуточной частоты от последнего каскада тракта ПЧ подается на дополнительные каскады усиления, обеспечивающие такой уровень сигнала, который необходим для работы пикового детектора, выполненного на диоде Д1. Постоянная составляющая продектированного сигнала заряжает конденсатор С2 до некоторого уровня, который пропорционален амплитуде сигнала ПЧ. Использование истокового повторителя на полевом транзисторе Т1 позволило применить конденсатор С2 с относительно небольшой емкостью. Это, в сочетании с малым выходным сопротивлением эмиттерного повторителя, включенного на выходе усилителя ПЧ АРУ, дало возможность получить малое время срабатывания системы АРУ.

Постоянная составляющая с конденсатора С2 через истоковый повторитель подается на операционный усилитель на микросхеме MC1, которая включена по схеме неинвертирующего усилителя, а с выхода микросхемы — на управляемые каскады усилителей ПЧ и ВЧ.

Ручная регулировка усиления обеспечивается изменением выходного смещения операционного усилителя (резистор R18). Конденсатор С2 разряжается через резистор R2 (Тразр порядка 20 с). При такой величине постоянной времени разряда изменения уровня сигнала АРУ и соответственно усиления приемника за время 0,1— 3 с (характерные времена CW и SSB сигнала) незначительно. Время «запоминания» уровня сигнала определяется дополнительными каскадами на транзисторах Т2 и ТЗ.

Сигнал от предварительных каскадов усилителя НЧ

(до регулятора громкости) подается на усилитель-ограничитель (транзистор Т2), а с него — на пиковый детектор (диод Д2). Конденсатор С6 заряжается до напряжения 6 В (уровень ограничения НЧ сигнала предшествующим каскадом). При этом транзистор ТЗ закрывается.

Так как сопротивление канала закрытого полевого транзистора более 100 МОм, он не шунтирует конденсатор С2. Некоторая задержка в появлении управляющего сигнала АРУ, необходимая для нормального функционирования всей системы. Обеспечивается тем, что время заряда конденсатора С6 больше времени заряда конденсатора С2 (из-за дополнительного резистора R11).

Если по истечении времени «запоминания» уровень сигнала упадет до нуля, то конденсатор С6 разрядится через резистор R12 (или параллельно соединенные R12 и R13), транзистор ТЗ откроется и конденсатор С2 разрядится через резистор R14 и открытый транзистор ТЗ.

Чувствительность приемника восстановится. Поскольку низкочастотный сигнал, поступающий на пиковый детектор на диоде Д2, ограничен, то время «запоминания» не зависит от уровня сигнала. И целиком определяется временем разряда С6 через соответствующие резисторы. При указанных на схеме номиналах деталей время «запоминания» составляет 0,1 и 0,5 с в зависимости от положения переключателя В1 (быстрая или медленная АРУ).

Время восстановления чувствительности приемника можно изменять резистором R14. Скачкообразное изменение усиления приемника при переходе с приема на передачу осуществляется замыканием резистора R18. С помощью контактов Р1/1 (обмотка реле на схеме не показана).

В системе автоматическая регулировка усиления можно использовать полевые транзисторы КП303 (T1, ТЗ), КТ315 (Т2), операционный усилитель К1УТ401А (MC1). Диоды Д1 и Д2 должны быть кремниевыми с обратным сопротивлением не менее 100 МОм. Для приема SSB станций время «запоминания» следует увеличить до 1 — 3 с (изменив сопротивления резисторов R12 и R13).

Усилители с электронным управлением

Простейшая схема, приведенная на рис.1.1 представляет собой однокаскадный транзисторный усилитель, в цепи эмиттера которого установлен полевой транзистор VT2. Cопротивление «сток-исток» транзистора формирует сигнал отрицательной обратной связи по току, от величины которой зависит коэффициент усиления в соответствии с выражением:

Схема хорошо ведет себя при усилении переменных сигналов , обеспечивая изменение коэффициента усиления в пределах 1-2 декад. В схемах усилителей постоянного тока, например усилителей биопотенциалов, целесообразно использовать регулируемые схемы на основе операционных усилителей.

На рис.1.2 представлена схема неинвертирующего усилителя на ОУ , в котором в качестве одного из резисторов используется сопротивление «сток-исток» полевого транзистора. Коэффициент усиления усилителя будет определяться как:

а так как RС-И = f (UУПР), то и коэффициент усиления будет изменяться в зависимости от управляющего напряжения. Диапазон изменения колеблется от нескольких единиц до нескольких десятков. Ограничения накладываются ввиду необходимости поддерживать напряжение «сток-исток» в пределах, не превышающих величины нескольких десятков милливольт. При увеличении напряжения полевой транзистор выходит из режима управляемого сопротивления и режим управления коэффициентом усиления нарушается. Кроме того, в схеме отсутствует компенсация влияния токов смещения на параметры усилителя, что может оказать существенное влияние на величину погрешности прецизионных усилителей.

Управляемый усилитель рис.1.3 выполнен на базе инвертирующего усилителя. Транзистор VT1 подключен параллельно резистору R1 и их суммарное сопротивление

будет изменяться при изменении управляющего напряжения UУПР.

Коэффициент усиления усилителя:

зависит от управляющего напряжения, однако эта зависимость будет нелинейной. В отличие от схемы рис.1.2 в данном усилителе предусмотрена компенсация погрешности от токов смещения. Для этой цели установлены резистор R1и транзистор VT2 в цепи неинвертирующего входа. Если транзисторы VT1 иVT2 идентичны, то при изменении управляющего напряжения сопротивления в цепи инвертирующего и неинвертирующего входов всегда будут оставаться равными по величине и погрешность от токов смещения будет минимальной.

1.2 Усилители с цифровым управлением

На рис.1.5 ЦАП типа К572ПА1 (рис.10.53), построенный на основе матрицы R – 2R, включен таким образом, что сопротивление резистивной матрицы RМ находится в цепи обратной связи операционного усилителя, а входной сигнал подается на внешний вывод внутреннего резистора RОС ЦАП (вход 16 ), величина которого равна RОС R. Таким образом формируется инвертирующий усилитель с переменным сопротивлением в цепи обратной связи. В схеме выходное напряжение усилителя выполняет роль опорного напряжения ЦАП, а ток в цепи обратной связи IОС = UВЫХ / RМ , где

Величины ai в данном выражении принимают значения 0 или 1 в зависимости от того, какое напряжение ( логическая 1 или логический 0) подается на соответствующий цифровой вход ЦАП.

В соответствии с принципом работы инвертирующего усилителя , коэффициент усиления по напряжению схемы рис.1.5

Когда на всех цифровых входах логические единицы ( все аi = 1) , коэффициент усиления схемы минимален и равен КU = 0,999. При наращивании цифрового кода коэффициент усиления возрастает и достигает максимального значения КU =1024, когда содержится логическая единица только в младшем разряде (а10 = 1), а во всех остальных логические нули.

Другой вариант схемы усилителя с цифровым управлением представлен на рис.11.6. Здесь в цепь обратной связи включается внутренний резистор RОС, содержащийся в структуре ЦАП, а программируемая резистивная матрица RМ используется в качестве входного резистора. Как и схеме рис.11.5 ОУ включен по схеме инвертирующего усилителя, сопротивление которого RОС R < RМ

Нетрудно увидеть, что коэффициент усиления схемы рис.1.6 максимален (КU=1) если на все цифровые входы ЦАП поданы логические единицы, т.е. все ai = 1. Если же a10 = 1, а все остальные аi = 0, то коэффициент передачи будет минимален и равен КU 10 -3 .

Следует отметить , что в обеих схемах рассмотренных программируемых усилителей значение коэффициента усиления не определено , когда во всех разрядах цифрового входа установлены логические нули. Кроме того, при использовании некоторых типов операционных усилителей возможно возникновение самовозбуждения схемы при определенных цифровых кодах на входе. Для исключения этого нежелательного явления обычно достаточно включить между инвертирующим и неинвертирующим входами конденсатор емкостью порядка 100пФ. В прецизионных схемах для уменьшения влияния входного тока ОУ на коэффициент передачи неинвертирующий вход необходимо заземлить через резистор 10кОм для микросхем К572ПА1 и 30 кОм для К572ПА2 (заземляющий резистор должен быть равен сопротивлению R внутренней матрицы R-2R).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector