Положительная обратная связь – Радиолюбительская азбука

July 9, 2015 by admin Комментировать »

Действие положительной обратной связи (ПОС) противоположно действию ООС: если последняя уменьшает коэффициент усиления, стабилизируя при этом все остальные характеристики ОУ и переводя его в линейный режим работы, то ПОС увеличивает коэффициент усиления до бесконечности, переводя при этом ОУ в цифровой (импульсный) режим. Такой режим работы нужен очень часто — в частности, для согласования аналоговой и цифровой частей устройства, поэтому усилители с ПОС встречаются не реже, чем усилители с ООС.

Усилители с ПОС бывают двух видов: триггеры Шмитта и интеграторы. У триггеров Шмитта в цепи ПОС стоит резистор, у интеграторов — конденсатор. Отличительная черта триггера Шмитта — наличие некоторого гистерезиса переключения; у интегратора выходной сигнал несколько задержан по времени относительно входного.

Простейшая схема триггера Шмитта изображена на рис. 1.32, а. В цепи ПОС ОУ DA1 стоит резистор R2; резистор R1 ограничивает амплитуду гистерезиса переключения.

Допустим, что сразу после включения напряжения питания, напряжение на прямом входе ОУ оказалось больше напряжения на инверсном. На выходе ОУ напряжение увеличится, также увеличится напряжение и на прямом входе (благодаря резистору R2). Начнется лавинообразное нарастание выходного напряжения с максимальной, для используемого в схеме ОУ, скоростью, и в конце концов на его выходе установится уровень логической «1» (т. е. почти +U). Напряжение на прямом входе ОУ при этом будет в два раза меньше (при указанных на схеме номиналах резисторов).

Теперь начнем увеличивать напряжение на инверсном входе ОУ. Как только оно станет равным и чуть превысит напряжение на прямом входе, напряжение на выходе ОУ начнет уменьшаться. Начнет уменьшаться напряжение и на прямом входе, а так как напряжение на инверсном входе за это время (микросекунды — миллионные доли секунды) заметно измениться не успеет, то разность напряжений между прямым и инверсным входами будет увеличиваться. То есть выходное напряжение будет уменьшаться со всевозрастающей скоростью. В итоге на выходе ОУ установится уровень лог. «0», а на прямом входе — половина (относительно нуля) этого напряжения.

Такой уровень на выходе ОУ продержится до тех пор, пока напряжения на обоих входах ОУ снова не сравняются. После этого на выходе ОУ-триггера Шмитта снова появится уровень лог. «1».

Рис. 1.32. а — триггер Шмитта; б — его петля гистерезиса, в — обработка триггером Шмитта синусоидального сигнала; г — интегратор; д — его характеристика; е — защита входа интегратора от высоковольтных выбросов

Зависимость выходного напряжения триггера Шмитта от входного показана на рис. 1.32, б. Фигуру, изображенную на этом рисунке, называют «петлей гистерезиса», и этой фигуркой условно обозначают на схемах триггеры Шмитта (только ее концы обычно направлены в противоположную сторону — F \ но у нас триггер Шмитта инвертирующий).

При напряжении на инверсном входе более половины напряжения питания, напряжение на выходе нашего триггера Шмитта отрицательно и соответствует уровню лог. «О». При уменьшении входного напряжения на инверсном входе напряжение на выходе изменится только после того, как входное напряжение станет меньше половины отрицательного напряжения (на графике условно показано стрелками; обычно стрелки не рисуют). После этого выходное напряжение очень резко увеличится до уровня лог. «1», и в уровень лог. «О» оно перейдет (следите по стрелкам) только после того, как входное напряжение не увеличится до половины положительного напряжения питания.

На рис. 1.32, в показано то, что делает неинвертирующий триггер Шмитта со входным синусоидальным сигналом. Как видно, для усиления синусоидального сигнала такой усилитель абсолютно не годен. Зато он идеален для усиления импульсного (цифрового) сигнала. Во-первых, у триггера Шмитта очень низкая чувствительность к помехам — ложное срабатывание такой схемы произойдет только в том случае, если амплитуда (размах напряжения) помехи превысит напряжение гистерезиса, что невозможно в принципе, а во-вторых, триггер Шмитта, в отличие от его «родного брата» — интегратора, не задерживает по времени фронты — спады импульсного сигнала (подразумевается, что крутизна входных импульсов довольно велика — см. рис. 1.32, в). Сигнал на выходе инвертирующего триггера Шмитта (как на рис. 1.32, а, ведь у этой схемы сигнал подается на инверсный вход) будет противоположен по уровню.

Напряжение гистерезиса переключения (отношение разности входного напряжения к напряжению питания) у схемы на рис. 1.32, а высчитывается по формуле:

Несложно заметить, что при равенстве сопротивлений резисторов R1 и R2 напряжение гистерезиса переключения равно половине напряжения -питания; при нулевом сопротивлении резистора R2 гистерезис равен напряжению питания, т. е. в лучшем случае триггер Шмитта превратится в статический триггер (см. том 1), а в худшем, если ОУ не рассчитан на работу с такими напряжениями, — он не будет работать (но микросхема из строя не выйдет). При бесконечном сопротивлении резистора R2 ПОС нет и ОУ работает как усилитель.

Сопротивления резисторов R1 и R2 обычно выбирают побольше — тогда через них протекает наименьший ток; но сопротивление самого высокоомного резистора не должно превышать 100 кОм…1 МОм.

Триггер Шмитта по схеме на рис. 1.32, а можно сделать неинвертирующим, если инверсный вход соединить с общим проводом (если ОУ с полевыми транзисторами на входе, то непосредственно, без резисторов; если же с биполярными — то через резистор сопротивлением 1…10 кОм, иначе ОУ может выйти из строя), а входной сигнал подавать на левый по схеме вывод резистора R1 (надеюсь, вы сами догадаетесь, что предварительно этот вывод нужно отсоединить от общего провода, ведь иначе вы будете замыкать входной сигнал на «землю»). Но недостаток такой схемы — она отбирает от источника сигнала довольно большой ток (он течет через резисторы ПОС), и если выходное сопротивление источника сигнала довольно велико, то напряжение гистерезиса увеличивается (выходное сопротивление источника сигнала складывается с сопротивлением резистора R1; выходное сопротивление можно измерить только косвенным («обходным путем») образом, замыкая выход через амперметрна шины питания; после этого его рассчитывают по формуле закона Ома. Из-за этого ста бильность работы схемы ухудшается и иногда приходится даже увеличивать сопротивление резистора R2. Когда входной сигнал подается на инвертирующий вход, сопротивления резисторов R1 и R2 на потребляемый от источника сигнала ток (входное сопротивление схемы, оно рассчитывается так же, как и выходное) не влияют. Поэтому такая схема используется чаще.

Схема интегратора нарисована на рис. 1.32, г. В отличие от триггера Шмитта, входной сигнал у интегратора обычно подается на прямой вход ОУ.

Единственное отличие триггера Шмитта от интегратора — у последнего в цепи ПОС включен конденсатор, а не резистор. Так как физические процессы, происходящие в этих двух элементах, различны, то и работают эти схемы по-разному.

Так как емкостное сопротивление конденсатора С1 на низких частотах довольно велико (точнее, огромно), то интегратор на низких частотах ведет себя как обычный ОУ, без всяких обратных связей. Но при увеличении частоты (или емкости конденсатора С1) влияние этого конденсатора становится все заметнее.

Интегратор используется только в цифровых схемах, и на его входы можно подавать только логические уровни. При напряжении на входе, равном напряжению на инверсном входе ОУ, схема возбуждается и на ее выходе появляется хаотическое чередование «нулей» и «единиц».

Пока на входе интегратора присутствует какой-либо логический уровень (см. рис. 1.32, д), такой же уровень присутствует и на его выходе. При изменении входного уровня начинает заряжаться через резистор R1 конденсатор С1, и после того как напряжение на прямом входе ОУ превысит напряжение на инверсном, напряжение на выходе начнет увеличиваться. Так как емкостное сопротивление конденсатора С1 по сравнению с входным сопротивлением ОУ ничтожно мало, то при увеличении напряжения на выходе пропорционально будет увеличиваться и напряжение на прямом входе ОУ. То есть начнется лавинообразное нарастание входного и выходного напряжений и крутизна перепадов выходных импульсов будет очень велика и независима от крутизны перепадов входных.

В принципе, входной сигнал на интегратор, как и на триггер Шмитта, можно подавать на инверсный вход ОУ, заземлив левый по схеме вывод резистора

R1. Но в таком случае при нулевом напряжении на инверсном входе схема самовозбудится. Когда в качестве входа используется прямой вход ОУ, самовозбуждение не так сильно.

Для устранения самовозбуждения интегратор желательно «превратить» в триггер Шмитта с небольшим гистерезисом переключения (не более 0,5…1,0 В). Для этого параллельно конденсатору С1 нужно включить резистор, сопротивление которого в 100… 1000 раз больше сопротивления резистора R1. Столь малый гистерезис на работе интегратора практически не отразится, а самовозбуждение полностью пропадет.

Кстати, включив параллельно резистору R2 триггера Шмитта (рис. 1.32, а) конденсатор небольшой емкости (так называемый «ускоряющий конденсатор») можно значительно повысить скорость нарастания выходного напряжения схемы, т. е. повысить крутизну выходных импульсов (чем она лучше, тем лучше работают цифровые микросхемы — особенно высокочастотные). Когда у триггера Шмитта нет ускоряющего конденсатора (его емкость обычно равна С я 0,1 : R, где С — в нанофарадах (1 нФ = 1000 пФ = 0,001 мкФ), a R — сопротивление R1 в килоомах), то при увеличении напряжения на выходе ОУ (например, на 1 В) напряжение на его прямом входе увеличивается не на 1 В, а на величину

где AUBX и AUBBIX — соответственно изменение входного и выходного напряжений. Так как параметрвсегда меньше единицы, то изменение входного напряжения всегда меньше изменения выходного. А, как известно, чем быстрее увеличивается разность входных напряжений, тем быстрее увеличивается выходное напряжение. При установке ускоряющего конденсатора в начальный момент времени, когда выходное напряжение только начинает изменяться, емкостное сопротивление конденсатора ничтожно — это равносильно тому, как если бы сопротивление резистора R2 уменьшилось до нуля.

В таком случае параметрблизок к единице, и при изменении выходного напряжения на 1 В входное изменится на эту же величину.

Единственный недостаток интегрирующего (ускоряющего) конденсатора — выбросы напряжения, которые могут вывести ОУ из строя. Допустим, что напряжение питания схемы на рис. 1.32, г равно ±15 В и на ее выходе установлен уровень лог. «0» (примерно, -12…-14 В). Напряжение на прямом входе равно нулю, т. е. половине напряжения питания. При незначительном увеличении входного напряжения напряжение на выходе начинает увеличиваться — пока оно не станет соответствовать уровню лог. «1» (+12…14 В, т. е. изменится на

24..                 .28 В), и, т. к. емкостное сопротивление конденсатора С1 на частоте переключения ОУ (она зависит от скорости нарастания выходного напряжения) гораздо меньше сопротивления резистора R1, то напряжение на прямом входе ОУ увеличится на разность выходных напряжений — 24…28 В. То есть напряжение на прямом входе на 9…13 В превысит напряжение питания +U.

Для большинства цифровых и аналоговых микросхем допускается, чтобы входное напряжение превышало напряжение питания не более чем на 0,7…1,5 В. При большей разности напряжений микросхема неизбежно выйдет из строя, т. е. попросту «сгорит».

Для борьбы с выбросами напряжения на входах микросхем обычно ставят защитные диоды (VD1 и VD2 на рис. 1.32, е). Положительная полуволна выброса через диод VD1 поступает на вход +UnHT, и напряжение на входе ОУ не превышает (+U) +0,7 В, а отрицательная — через диод VD2 на вход -Unm. Так как емкость фильтрующих конденсаторов, включенных между выводами «-U» и «+U», гораздо больше емкости конденсатора С1, то выбросы напряжения, если и увеличат напряжение питания, то очень незначительно. Кстати, именно поэтому во всех схемах рекомендуется ставить фильтрующие конденсаторы параллельно выводам питания. Места они занимают немного, зато польза от них огромная — некоторые схемы вообще не будут работать, если нет фильтров или если их емкость слишком мала. Эти конденсаторы должны располагаться в непосредственной близости от микросхемы, и их емкость должна быть более 100 мкФ (чем больше потребляемый схемой ток, тем больше емкость).

Резистор R* в схеме на рис. 1.32, е ограничивает ток, протекающий с выхода микросхемы через конденсатор и один из диодов в цепь питания. Если резистор закоротить, то крутизна выходных импульсов, после того как их амплитуда увеличится до половины напряжения питания (тогда напряжение на входе увеличится до напряжения питания — см. выше), резко уменьшится — прямое сопротивление диодов ничтожно, а конденсатор С1 заряжается слишком медленно, чтобы его влияние можно было не учитывать. Благодаря резистору этот ток ограничивается на некотором «среднем» уровне, при котором крутизна выходных импульсов уменьшается не очень сильно и в то же время при котором от интегрирующей цепочки есть какая-то польза. Сопротивление резистора R* при использовании маломощных ОУ должно быть больше 470…1000 Ом; в то же время, если ОУ включен как триггер Шмитта (рис. 1.32, о), его сопротивление должно быть гораздо меньше сопротивления резистора R2 и, желательно, меньше сопротивления резистора R1.

В качестве «защитных» диодов можно использовать любые маломощные высокочастотные кремниевые диоды, например, из серий КД520…КД522. У большинства современных цифровых микросхем защитные диоды установлены внутри микросхемы, и «лепить» их снаружи бессмысленно. Но у аналоговых микросхем диодов на входах нет. Просто любой диод обладает некоторой паразитной емкостью (до 1…10 пФ — для маломощных диодов), устранить которую невозможно. Поэтому входная емкость микросхемы, содержащей защитные диоды, больше, чем у микросхемы без диодов. А чем больше входная емкость, тем меньше входное сопротивление на высоких частотах, т. е. тем больше потребляемый входом от источника сигнала ток. Поэтому с паразитными входными емкостями разработчики микросхем борются всеми силами. Последствия этой борьбы — отсутствие входных диодов и использование во входных каскадах микросхем сверхмаломощных транзисторов (в том числе и полевых), которые «сгорают» так легко…

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