Лекция
Это окончание невероятной информации про операционные усилители.
...
loading="lazy" alt="Операционные усилители. Идеальный и реальный, сумматор, дифференциатор, интегратор, пиковый детектор" >
Подробней о биквадратных фильтрах написано в на стр. 293 – 295 и в на стр. 106 – 108.
Генератор – это устройство для производства периодически изменяющихся сигналов. Релаксационный генератор – это генератор, элементы которого не обладают резонансными свойствами.
Релаксационный генератор на ОУ можно получить, объединив схемы интегрирующего звена и триггера Шмитта в замкнутый контур:
Когда на выходе триггера Шмитта присутствует напряжение высокого уровня, конденсатор C1 заряжается до тех пор, пока напряжение на входе триггера Шмитта не станет меньше порога срабатывания, после чего конденсатор C1 начнет разряжаться, пока напряжение на входе триггера Шмитта не станет больше порога срабатывания.
На выходе интегрирующего звена присутствует периодический сигнал треугольной формы, на выходе триггера Шмитта – меандр. Стабилитрон VD1 ограничивает амплитуду прямоугольного сигнала на выходе триггера Шмитта Uвых2 до значения напряжения стабилизации Uст. Период автоколебаний T и амплитуду сигнала на выходе интегрирующего звена Uвых1 получаем по формулам:
 |
(26) | |
 |
(27) |
Подобные схемы принято называть «функциональными генераторами», т.к. они производят на выходе сигналы разной формы.
Релаксационный генератор с выходным сигналом в виде меандра называется мультивибратором. Рассмотренную выше схему тоже можно использовать в качестве мультивибратора, но приведенная ниже схема проще:
При равенстве положительных и отрицательных напряжений ограничения Uогр на выходе ОУ период автоколебаний T и амплитуду сигнала на инвертирующем входе Uвх- получаем по формулам:
 |
(28) | |
 |
(29) |
Синусоидальный сигнал на выходе звена на ОУ можно получить с помощью обработки сигнала треугольной формы активным фильтром низких частот, а также применением моста Вина:
Схема построена таким образом, чтобы обеспечить обратную связь с фазовым сдвигом 180° на частоте f0 и поддерживать генерацию изменением коэффициента передачи K. Запуск генерации происходит при K > 3, что достигается при R3/R4 > 2. Затем, когда запуск произведен, для стабилизации работы генератора коэффициент передачи K должен уменьшаться при увеличении амплитуды выходного сигнала. Одним из решений такой адаптивной обратной связи является использование вместо R4 лампы накаливания.
При равенстве R1 = R2, C1 = C2 частота генерации f0 определяется по формуле:
 |
(30) |
В данной публикации цикла мы разберем аспекты питания ОУ, защиту от помех (как входных, так и по питанию), а также защиты и «развязки» входных цепей.
Большая часть материала будет разобрана на «сквозном» примере схемы предусилителя-корректора, по характеристике RIAA на одном ОУ.
Для тех, кто присоединился недавно, сообщаю, что это шестая из семи публикаций цикла. Содержание публикаций со ссылками на них находится в конце статьи.
На рисунке ниже приведена схема усилителя-корректора для электромагнитного звукоснимателя (фонокорректора) на ОУ NE5534:
Оригинальная схема опубликована на стр. 148 . Схема на рисунке выше отличается от оригинальной номиналами R3, C2, C3, а также тем, что в цепь питания ОУ добавлен отсутствующий на оригинальной схеме блокировочный конденсатор C7.
При анализе схемы нужно выделить два момента:
Схема, выбранная в качестве примера, является корректором с тремя граничными частотами и фильтром ВЧ. Схема подобного корректора и его АЧХ представлены на рисунке ниже:
Три граничные частоты корректора определяются как:
 |
(31) | |
 |
(32) | |
 |
(33) |
Фильтр верхних частот предназначен для подавления «инфранизких частот» (subsonic), возникающих в процессе работы механизма проигрывателя или за счет неровностей пластинки. Наличие этого фильтра в фонокорректорах опционально. Частота среза ФВЧ определяется как:
 |
(34) |
Подробно тема усилителей-корректоров разобрана в в разделе «10. Усилители-корректоры АЧХ» на стр. 122 — 148. Расчет корректора с тремя граничными частотами приведен в разделе «10.2.2 Корректор с тремя граничными частотами».
Приведенная выше схема фонокорректора является усилителем переменного напряжения. Усилитель переменного напряжения принимает только переменную составляющую входного сигнала, производит ее обработку и передает на выход.
В случае двухполярного питания для превращения любого пропорционального звена в усилитель переменного напряжения достаточно подключить вход и выход звена через разделительные конденсаторы. В случае однополярного питания все уже не так просто, т.к. в этом случае будет усиливаться только одна полуволна входного сигнала.
Для усиления другой полуволны входной сигнал нужно сместить таким образом, чтобы во всем рабочем диапазоне не происходило ограничений усиленного сигнала на выходе. На схеме усилителя-корректора смещение на входе задается делителем напряжения R5R6. Желательно, но необязательно, подобрать R5 и R6 так, чтобы установить на выходе DA1 напряжение — равное половине напряжения питания.
По сути, делитель напряжения R5R6 формирует цепь «виртуальной земли», превращающую для «классического» ОУ однополярный источник питания — в двухполярный.
Другим важным элементом схемы усилителя на ОУ с однополярным питанием является разделительный конденсатор C1, который блокирует постоянную составляющую сигналов в цепи обратной связи. Из-за этого коэффициент передачи усилителя-корректора по постоянному току равен единице. Наличие в усилителе переменного напряжения ООС по постоянному току позволяет избавиться от разнообразных «дрейфов» параметров.
Наличие в схеме C1 «утилизируется» формированием цепочкой C1R1 ФВЧ с частотой среза около 20 Гц. Ёмкости разделительных конденсаторов C5 и C9 выбраны так, чтобы не влиять на АЧХ усилителя в рабочем диапазоне частот 20…20000 Гц: цепочка С5(R5 || R6) формирует ФВЧ с частотой среза 0,1 Гц, а C9R8 — 1 Гц.
Совершенно неочевидным моментом в разработке устройств на ОУ является тот факт, что помехи бывают не только внешние, и что сам ОУ может являться источником помех.
Это связано с тем, что ОУ, как и любое другое электронное устройство не может изменять свое состояние мгновенно. Любое изменение состояния сопровождается переходными процессами, в том числе и по питанию.
И источник питания, и проводники, по которым подается питание, тоже не идеальны. Ко всему тому же, общий провод источника питания обычно используется в качестве «сигнальной земли», по которой помехи по питанию могут попадать в сигнальные цепи.
И провода питания, и сигнальные проводники обладают, помимо «оммического» сопротивления, еще и индуктивностью, а также емкостью относительно других проводников. Поэтому одинаковые по схеме устройства, собранные по разным сборочным чертежам — могут вести себя по-разному. При разработке устройств на ОУ необходимо заострять внимание на:
Схему фонокорректора с учетом этих нюансов можно изобразить следующим образом:
И провода питания, и сигнальные проводники стянуты в две точки «звездой», что исключает прохождение токов питания по сигнальным цепям. Блокировочный конденсатор C7 с малым ESR служит для подавления помех по питанию. Идеальным случаем является подключение блокировочного конденсатора непосредственно к выводам питания микросхемы.
Фильтр низких частот на элементах R7С6 предназначен для «развязки по питанию» цепи смещения R5R6. «Развязка» предназначена для предотвращения паразитной модуляции входа усилителя по цепям питания.
Номиналы и типы блокировочных конденсаторов выбирают согласно datasheet производителя микросхемы ОУ. Рекомендации по топологии печатной платы берут оттуда же. В реальности, подключение «звездой» обычно заменяют подключением элементов к полигонам питания.
Источником сигнала для усилителя-корректора является электромагнитный звукосниматель. Звукосниматель крепится к тонарму и соединен с фонокорректором проводной линией связи. Длина линии связи определяется конструкцией тонарма и не может быть меньше половины диаметра «диска-гиганта» (LP, Ø300 мм).
На схеме показано подключение электромагнитного звукоснимателя к фонокорректору экранированной витой парой. Выбор в качестве линии связи витой пары обусловлен тем, что э.д.с. электромагнитной помехи, наведенной на подобную линию связи, одинакова на обоих проводах линии по модулю, но противоположна по направлению.
Витая пара изготавливается из тонких многожильных проводов в мягкой изоляции, экраном служит входящая в конструкцию тонарма металлическая трубка, внутри которой и проходит витая пара. «Возвратный» провод витой пары и ближний к фонокорректору край экранирующей трубки подключаются к точке «О» схемы усилителя-корректора.
Элементы R4C4 предназначены для сопряжения входного сопротивления фонокорректора с выходным сопротивлением электромагнитного звукоснимателя. Так, для популярного электромагнитного звукоснимателя ГЗМ-005Д согласование с усилителем-корректором достигается при R4 ≈ 47 кОм и C4 ≈ 200 пФ.
В рассмотренном выше примере и в ряде других «непромышленных» применений защита входных цепей — не требуется. В качестве гальванической развязки достаточно разделительного конденсатора, а заземление экрана линии связи только с одной стороны — вызвано исключительно конструктивными особенностями.
Промышленная электроника предъявляет гораздо более высокие требования. Информация ниже дается исключительно для ознакомления. Более расширенно материал рассмотрен в в разделе «Помехи, экранирование и заземление» на стр. 479 — 489. При разработке промышленной электроники необходимо неукоснительно выполнять требования по электробезопасности.
В промышленных условиях соединение «звездой» или полигоном «сигнальной» и «силовой» «земель» зачастую невозможно, т.к. между этими «землями» может быть значительная разность потенциалов.
В этом случае борются с помехами разнесением в пространстве силовых и сигнальных цепей, гальванической изоляцией линий связи и выравниванием потенциалов, например, путем подключения корпусов устройств, соединенных линией связи, к одной и той же шине заземления.
В условиях промышленных помех, хорошим тоном считается применение защиты входных цепей от перенапряжения и статического заряда, например, как на рисунке ниже:
Традиционно гальваническую развязку устройств от линий связи делают на трансформаторах. При использовании развязывающих трансформаторов применение защиты входных цепей тоже является неплохим решением.
Применение в промышленных условиях изолирующих усилителей является более дорогим, но и более надежным решением.
Исследование, описанное в статье про операционные усилители, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое операционные усилители, пиковый детектор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства
Часть 1 Операционные усилители. Идеальный и реальный, сумматор, дифференциатор, интегратор, пиковый детектор
Часть 2 Разностный усилитель - Операционные усилители. Идеальный и реальный, сумматор, дифференциатор,
Часть 3 Релаксационные генераторы на ОУ - Операционные усилители. Идеальный и реальный,
Комментарии
Оставить комментарий
Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства
Термины: Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства