Усилители со сложной обратной связью (продолжение)- Радиолюбительская азбука

June 4, 2015 by admin Комментировать »

В аналоговой технике наряду с усилителями сигнала широко распространены и генераторы сигналов. И это логично — ведь для того, чтобы что-то усилить (преобразовать), это «что-то» нужно где-то взять. А разнообразные источники шума, к которым относятся магнитофоны, радиоприемники и пр., не всегда «под рукой». Поэтому при налаживании радиоаппаратуры, наряду с вышеупомянутыми источниками сигналов, очень часто используют и генераторы. К тому же частота генератора всегда известна (в отличие от частоты музыкального сигнала, измерить которую, в прямом смысле этого слова, практически невозможно), и ее можно изменять в широких пределах, причем тогда, когда нам этого хочется.

Генераторы импульсов на аналоговых микросхемах очень часто используются и в цифровой технике. Как известно, цифровые микросхемы практически непригодны для работы в режиме генератора: при плавно нарастающем входном напряжении (по такому принципу работают все генераторы с время задающей RC-цепочкой) у них обычно возникают сквозные токи в выходных каскадах, что приводит к кратковременному резкому увеличению потребления тока. Следствия этого — возникновение пульсаций на шинах питания. И если на повышение потребляемого тока еще можно «закрыть глаза», то с пульсациями приходится бороться. А это очень непросто.

Аналоговые микросхемы рассчитаны специально на работу с плавно изменяющимся напряжением, поэтому возникновение сквозных токов в их выходных (мощных) каскадах невозможно в принципе. То есть они не генерируют помехи в цепи питания и их потребляемый ток всегда минимален.

Генераторы на аналоговых микросхемах, с времязадающей RC-цепочкой, чаще всего собираются на основе триггера Шмитта (рис. 1.4.1, а) — это единственная схема, для работы которой нужен один ОУ (генераторы на основе интегратора нуждаются в ОУ с прямым и инверсным выходами, т. е. практически в двух ОУ или ОУ + транзистор, а также в двух RC-цепочках; такие генераторы очень часто называются мультивибраторами. Помимо интегратора, в мультивибраторе можно использовать и два активных (т. е. не пассивных) дифференциатора (ФВЧ), в том числе и собранных на транзисторах, но и в этом случае нужно две цепочки). Собрать на основе ОУ генераторы, используя катушки индуктивности или кварцевые резонаторы, сложнее (но необходим только один ОУ). к тому же кварцевые резонаторы прекрасно работают с цифровыми микросхемами — из-за особенностей такого генератора, сквозные токи в выходных каскадах и помехи в цепях питания практически не возникают.

Работает генератор, изображенный на рис. 1.41, с, очень просто. Допустим, что сопротивления резисторов R2…R4 равны и на выходе ОУ DA1 установлен уровень лог. «1». Тогда напряжение на прямом входе DA1 равно 3/4 напряжения питания и конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Как только напряжения на обоих входах ОУ сравняются (после чего напряжение на инверсном входе станет чуть больше — ведь конденсатор продолжает заряжаться), напряжение на его выходе начнет уменьшаться. При этом будет уменьшаться и напряжение на прямом входе — из-за влияния резистора R4. Разность напряжений между входами станет еще больше (ведь к инверсному входу подключен конденсатор, напряжение на котором изменяется только плавно), и это вызовет еще более резкое уменьшение выходного напряжения. Произойдет лавинообразный (самоускоряющийся) переход выхода ОУ из состояния лог. «1» в лог. «О», и напряжение на его прямом входе скачкообразно уменьшится до 1 /4 напряжения питания. Конденсатор С1 начнет разряжаться, и, как только напряжение на его обкладках станет меньше 1/4 напряжения питания (т. е. напряжения на прямом входе ОУ), выход генератора снова лавинообразно переключится в состояние лог. «1» и все вышеописанные процессы повторятся.

Увеличение и уменьшение напряжения на выходе ОУ (соответственно, фронт и спад выходного сигнала) происходит практически мгновенно и зависит только от быстродействия (скорости нарастания выходного сигнала) используемого в схеме ОУ. У большинства даже «неидеальных» ОУ оно столь значительно, что при согласовании такого генератора даже с довольно «скоростными» цифровыми микросхемами структуры ТТЛ (и их КМОП-аналогами) не возникает никаких проблем. Но все же для работы с ТТЛ-микросхемами в качестве ОУ желательно выбрать микросхемы серий К544, КР574 — у них больше скорость нарастания выходного напряжения. С обычными КМОП-микросхемами нормально работают и «древние» ОУ 140-й серии.

Так как цифровые микросхемы, как правило, рассчитаны на однополярное напряжение питания, то для искусственного формирования «половины напряжения питания» в схему введены резисторы R2 и R3. При отключенном резисторе R4 напряжение на прямом входе ОУ равно 2/4 напряжения питания. Если же сопротивление резистора R4 равно сопротивлению резисторов R2 и R3, напряжение на прямом входе, в зависимости от уровня на выходе ОУ, может быть или 1/4, или 3/4 напряжения питания. Если сопротивление резистора R4 уве-

Рис. 1.41. Генериторы импульсов: а — «стандартная» схема; б — эпюры напряжений в разных точках этой схемы; в — генератор треугольных импульсов (с генератором тока); г — генератор синусоиды на его основе личить, то амплитуда колебаний напряжения на входах ОУ уменьшится — это вызовет увеличение частоты колебаний на выходе схемы (так как напряжение на конденсаторе С1 в таком случае должно будет изменяться в меньших пределах, т. е. он будет быстрей заряжаться/разряжаться до напряжения на прямом входе; это вызовет увеличение частоты переключения ОУ); при уменьшении сопротивления резистора R4 частота выходного сигнала, наоборот, уменьшится.

Но слишком сильно уменьшать его сопротивление нельзя — иначе напряжение на прямом входе может выйти за пределы рабочего диапазона (напряжение на любом входе ОУ должно быть чуть больше напряжения на отрицательном выводе питания и чуть меньше напряжения на положительном; из этого правила есть исключения — в частности, серия К544 и LM358, LM2904 и некоторые другие: у них входное напряжение может быть в пределах -U…+UnHT — 1,5 В) и в результате генератор заблокируется (остановится).

Лучше всего изменять частоту генерации с помощью резистора R1 — его сопротивление может быть от 1 кОм (чтобы не перегружать выход ОУ) до нескольких мегаом (пока не начнет сказываться входной ток ОУ). В качестве этого резистора обычно используют подстроечный или переменный. Емкость конденсатора С1 также можно изменять в широких пределах — его можно выбирать любой величины.

Напряжение на выходе ОУ, как уже отмечалось выше, имеет прямоугольную форму. Но для настройки усилителей обычно используют синусоидальное напряжение — такой сигнал по своей структуре (спектру) гораздо проще прямоугольного и обработать его тоже проще. Практически синусоидальное напряжение можно «снять» с выводов конденсатора С1 (рис. 1.41, б), но сопротивление нагрузки в таком случае должно быть очень велико (т. е. ее нужно подключать через повторитель) — по крайней мере, в 5…10 раз больше сопротивления резистора R1. Напряжение на конденсаторе С1 имеет такую «пилообразную» форму из-за особенности резисторов, через которые конденсатор заряжается: чем больше разность напряжений между инверсным входом ОУ и его выходом, тем больше протекающий через резистор ток (закон Ома —I, а чем больше зарядный ток, тем быстрей изменяется напряжение на выводах конденсатора. «Чистую» синусоиду с помощью таких генераторов получить очень сложно: для этого нужно использовать элементы, сопротивление которых увеличивается при увеличении протекающего через них тока (терморезисторы, сопротивление которых при нагреве, вызванном выделяющейся на резисторе мощности, увеличивается, или лампы накаливания — у них тоже холодная спираль имеет меньшее сопротивление, чем нагретая). На практике синусоидальное напряжение обычно получают из треугольного («пилы»), сглаживая импульсы интегратором.

Генератор треугольных импульсов получается из генератора прямоугольных, в котором частотозадающий резистор заменен генератором тока (рис. 1.41, в). Так как ток через генератор тока в генераторе импульсов должен протекать в обоих направлениях, то использовать в этой схеме генераторы тока на транзисторах, пропускающие ток только в одном направлении, нельзя. К тому же на транзисторных генераторах тока падает слишком большое напряжение. Поэтому в схеме пришлось использовать генератор тока на основе ОУ. Недостаток такой схемы — нужно двухполярное напряжение питания для ОУ.

Входной сигнал на генератор подается с выхода триггера Шмитта через делитель напряжения на резисторах R5 и R6. Резистор R1 — «измерительный»: напряжение на выходе ОУ DA2, за счет ООС, всегда поддерживается таким, чтобы падение напряжения на этом резисторе равнялось напряжению на пря-

Рис. 1.41. Генераторы импульсов: д, е — генераторы с изменяемой скважностью импульсов мом входе ОУ. Амплитуда напряжения на прямом входе DA2 всегда одинакова, и, в зависимости от уровня на выходе DA1, меняется только его полярность (при указанных на схеме номиналах резисторов R5, R6 и напряжений питания ±15 В напряжение на прямом входе ОУ DA2 равняется или -0,6 В, или +0,6 В — в зависимости от полярности напряжения на выходе DA1). Поэтому и протекающий через резистор R1 и, соответственно, конденсатор С1, ток всегда одинаков, т. е. напряжение на конденсаторе изменяется линейно, как это показано на графике.

Для улучшения работы генератора треугольных импульсов желательно уменьшить до минимума сопротивление резистора R1. При этом можно будет уменьшить падение напряжения на нем — в результате амплитуда вертикальных участков изменения выходного напряжения (см. график) станет меньше, т. е. сигнал будет сильней походить на идеальный треугольник. При использовании отечественных недорогих ОУ минимальное падение напряжения на резисторе R7 (оно устанавливается подбором сопротивления резистора R6 — в качестве его можно поставить подстроечный) не должно быть меньше 0,01 В, при этом желательно подкорректировать напряжение смешения ОУ DA2, при использовании прецизионных ОУ его можно уменьшить до 0,001 В и даже меньше.

Изменяя сопротивление резистора R1, при неизменном сопротивлении резисторов R5 и R6, можно изменять скорость заряда/разряда конденсатора С1 (т. к. при этом изменяется протекающий через конденсатор и резистор ток — ведь падение напряжения на резисторе R1 всегда одинаково и не зависит от его сопротивления), т. е. частоту выходных импульсов.

С выхода микросхемы DA1 можно снимать прямоугольные импульсы, а с выхода DA2 — треугольные. Сопротивление нагрузки в обоих случаях может быть любым, но больше 1 кОм (при использовании в схеме маломощных ОУ). На формирователь треугольных импульсов сопротивление нагрузки влияет очень слабо — при любом сопротивлении нагрузки ОУ DA2 изменяет выходное напряжение так, чтобы падение напряжения на резисторе R1 оставалось неизменным (равным падению напряжения на резисторе R6), поэтому и протекающий через него (и конденсатор С1) ток всегда постоянен. Другое дело, если нагрузку подключить параллельно резистору R1 или конденсатору С1 — тогда в нагрузку ответвлялась бы часть тока и работа схемы нарушилась бы — в случае, если сопротивление нагрузки слишком мало.

Синусоидальные импульсы можно получить, если к выходу генератора треугольных импульсов подключить интегрирующую RC-цепочку или любой ФНЧ не очень высокого порядка. Но в таком случае при увеличении частоты импульсов амплитуда синусоидального напряжения на выходе интегратора будет изменяться, при неизменной амплитуде «пилы». Связано это с фильтрующими свойствами интегратора — амплитуда выходного напряжения максимальна при частоте сигнала ниже частоты среза. При уменьшении частоты генератора форма импульсов на выходе интегратора начнет искажаться, — вместо красивой синусоиды они начнут напоминать форму кузова «запорожца». Причину этого попытайтесь выяснить самостоятельно. Поэтому, если вам необходим именно синусоидальный сигнал, интегратор нужно сделать перестраиваемым, т. е. заменить постоянный резистор переменным и предусмотреть возможность замены конденсаторов, не используя паяльник. На выходе интегрирующей RC-цепочки присутствует синусоидальный неискаженный сигнал тогда, когда амплитуда синусоиды в 2…5 раз (и больше) меньше амплитуды входной треугольной «пилы». Если у вас есть осциллограф, то настроить схему можно и с его помощью — в таком случае вольтметр переменного тока не нужен.

На выходе интегратора желательно поставить повторитель напряжения на ОУ — тогда можно будет не учитывать сопротивление нагрузки. Всю схему (рис. 1.41, г) очень удобно собрать на одном счетверенном ОУ LM324 или его низковольтном (±2,5 В) аналоге LM2902. «Лишний» ОУ можно использовать при однополярном напряжении питания, для усиления по току образцового напряжения.

Во всех описанных выше схемах генераторов скважность импульсов равна единице, т. е. длительность импульса (в современной электронике под «импульсом» подозревают уровень лог. «1») равна длительности паузы (уровня лог. «О») между импульсами. Но, благодаря некоторым особенностям триггера Шмитта, построенного на ОУ (конкретней — регулируемому напряжению переключения), скважность импульсов во всех вышеописанных схемах можно изменить в любую сторону. При этом если длительность импульса равна, например, 2 сек, а длительность паузы — 4 сек, то скважность равна (4 + 2) : 2 = 3. Величина эта безразмерная, и ни в каких единицах не измеряется.

Схема генератора прямоугольных импульсов на основе триггера Шмитта с плавно изменяемой скважностью нарисована на рис. 1.41, д. При среднем положении движка переменного резистора R2 напряжение на конденсаторе С2 равно половине напряжения питания и скважность импульсов равна 2. Напряжение гистерезиса зависит только от сопротивления резисторов R3 и R4 (сопротивление резистора R2 можно не учитывать — емкостное сопротивление конденсатора С2 на рабочей частоте генератора ничтожно; но это только в том случае, если конденсатор имеет довольно большую емкость — его емкостное сопротивление на частоте генерации должно быть в сотни раз меньше сопротивления резистора R3) и при равенстве их сопротивлений равно половине напряжения питания.

При перемещении движка резистора R2 вниз напряжение на конденсаторе С2 уменьшается. При этом при уровне лог. «1» на выходе ОУ падение напряжения на резисторе R4 больше, чем при уровне лог. «О» (знак напряжения, т. е.

его полярность, не учитывается), — в крайнем случае, когда движок резистора R2 соединен с общим проводом, падение напряжения на резисторе R4 при нулевом напряжении на выходе вообще равно нулю. Но это крайний случай — такого допускать нельзя.

Так как при разных выходных напряжениях (уровнях) падение напряжения на резисторе R4 разное, то, соответственно, и конденсатор С1 будет неравномерно (с разной скоростью) заряжаться-разряжаться через резистор R1. Связано это с тем, что при уменьшении падения напряжения на резисторе протекающий через него ток также (пропорционально) уменьшается. То есть в нашем случае если при уровне лог. «О» напряжение на прямом входе ОУ равно, например, 2 В, при уровне лог. «1» — 5 В, а напряжение питания равно 10 В, то при единичном уровне на выходе генератора конденсатор должен будет зарядиться с 2 до 5 В и падение напряжения на резисторе будет уменьшаться от 10-2 = 8 до 10 – 5 = 5 В. Среднее падение напряжения на резисторе R1 равно 6,5 В, поэтому и ток, протекающий через него, значителен. При уровне лог. «О» конденсатор должен разрядиться от 5 до 2 В и падение напряжения на резисторе R4 будет уменьшаться от 0-5=5 до 0-2=2 В, среднее падение напряжения равно 3,5 В. При этом протекающий через него ток будет более чем в 2 раза меньше, чем при падении напряжения на нем, равном 6,5 В. То есть заряжаться конденсатор С1 будет в 2 раза быстрее, чем разряжаться, и длительность уровня лог. «1» на выходе генератора из-за этого будет в 2 раза меньше длительности уровня лог. «О» — скважность импульсов равна (6,5 + 3,5) : 3,5 = 2,86.

При плавном изменении сопротивления резистора R2 скважность импульсов также плавно изменяется. Когда напряжение на его движке (и конденсаторе С2) больше половины напряжения питания, длительность импульса на выходе генератора становится больше длительности паузы, т. е. скважность становится меньше двух.

Нетрудно заметить, что при изменении скважности импульсов частота выходного сигнала не изменяется. Связано это с тем, что при линейном изменении падения напряжения на резисторе протекающий через него ток также линейно изменяется. То есть во сколько раз ускорился заряд конденсатора, ровно во столько же раз замедлится его разряд. Но это только в том случае, если в качестве частотозадающего используется резистор, при замене его генератором тока, которому «до лампочки» падение напряжения на нем, скважность импульсов не зависит от напряжения на конденсаторе С2 и всегда равна 2.

В случае, если скважность импульсов должна изменяться в широких пределах, напряжение гистерезиса триггера Шмитта желательно сделать небольшим, иначе, при изменении напряжения на конденсаторе С2 и под влиянием напряжения с выхода ОУ, напряжение на его прямом входе может стать слишком большим (или слишком малым) — ив результате ОУ может блокироваться (перестанет реагировать на напряжение на инверсном входе). От этого недостатка свободны современные высококачественные ОУ, но они стоят слишком дорого для столь простой схемы.

Обычно в подобных генераторах сопротивление резистора R3 выбирается гораздо меньше сопротивления резистора R4. Максимальная скважность импульсов, которой можно достигнуть при этом, равна 2 х (R4 : R3). Эту схему можно использовать только в тех случаях, если скважность выходных импульсов не превышает 100.

Еще одна схема генератора с изменяющейся скважностью импульсов изображена на рис. 1.41, е. Напряжение гистерезиса переключения у этой схемы неизменно, изменяется только ток заряда или разряда конденсатора С1: при положительной полярности напряжения на выходе ОУ ток течет через резистор R1.1 и диод VD1.1 и скорость заряда конденсатора зависит только от сопротивления резистора R1.1 (сопротивление цепи R1.2 VD1.2 при этом очень велико, и его можно не учитывать). При отрицательной полярности выходного напряжения конденсатор С1 разряжается через резистор R1.2 — диод VD1.1 при этом закрыт обратным напряжением.

Скважность импульсов этого генератора зависит только от качества конденсатора С1 (его тока утечки) и теоретически может быть от нуля до бесконечности (но практически — от 1/1000 до 1000). Длительность импульса регулируется резистором R1.1, а длительность паузы — резистором R1.2. Если сопротивление одного из резисторов (например R1.2) в два и более раза превышает сопротивление второго, то соответствующий диод (VD1.2) можно закоротить. При этом при отрицательной полярности выходного напряжения ток будет течь только через высокоомный резистор, а при положительной — через оба резистора. Но, так как сопротивление высокоомного резистора гораздо больше сопротивления низкоомного, его влияние можно не учитывать (или можно несколько увеличить — для компенсации — сопротивление низкоомного резистора). Благодаря такому включению элементов удается сэкономить один диод; чем меньше элементов в схеме, тем надежней она работает.

При регулировке скважности импульсов этой схемы изменяется и частота выходного сигнала — это нужно помнить. Напряжение гистерезиса, а также напряжение переключения у этой схемы изменять можно, при этом будет, соответственно, изменяться или частота выходного сигнала, или скважность выходных импульсов (при неизменных номиналах элементов RC-цепочки). Напомню, что напряжение гистерезиса — это, в нашем случае, разность напряжений на конденсаторе С1 при разных уровнях на выходе ОУ, а напряжение переключения — «середина» напряжения гистерезиса.

Генераторы импульсов с изменяющейся скважностью широко распространены в цифровой электронике. В аналоговой технике они, в основном, используются только в устройствах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Подробнее такие устройства будут рассмотрены в главе 1.8.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 2. Аналоговые устройства. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 288 с. — (Серия «СОЛОН — РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ» выпуск 24)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты