В дифференциаторах применяется динамическая стабилизация.
Схема :
Рис. 2.14
Конденсатор Ск выбирается так, чтобы участок АЧХ со спадом 6 дб/окт начинался на частоте более высокой, чем максимальная частота полезного дифференцированного сигнала. Уменьшается доля ВЧ шумов в выходном сигнале.
Этот участок начинается на частоте F2 =
Сопротивление Rк ограничивает коэффициент усиления на BЧ, обеспечивает динамическую устойчивость.
Частотная характериcтика скорректированного дифференциатора приведена на рис. 2.15
Рис. 2.15
Добавление Rк приводит к появлению на АЧХ горизонтального участка и прекращению дифференцирования на частотах, превышающих частоту:
Примеры дифференцирования сигналов
1. Подаем на вход синусоидальное напряжение.
Выходное напряжение:
Таким образом напряжение на входе изменяется по закону косинуса, т.е. dsinU=cosUdU
2. Подадим на вход сигнал треугольной формы:
Рис. 2.16
Выходной сигнал - это прямоугольное напряжение, частота которого равна частоте входного сигнала
таким образом, любому линейно изменяющемуся сигналу на входе дифференциатора соответствует постоянный выходной сигнал, величина которого пропорциональна крутизне входного сигнала; этот выходной сигнал остается постоянным в течении всего времени, пока входной сигнал сохраняет постоянный наклон.
3. На вход подаем прямоугольный сигнал:
Рис. 2.17
Участки входного сигнала, на которых его значение постоянно не дают никакого напряжения на выходе дифференциатора, так как производная постоянной величины равна нулю.
Участки нарастания и спада импульсов можно аппроксимировать наклонными прямыми. Так как tн= tс выходное напряжение во время нарастания равно выходному напряжению во время спада и противоположно ему по закону. Ненулевое выходное напряжение вообще появляется только во время спада или нарастания импульсов:
Выводы:
1. Напряжение на выходе интегратора пропорционально среднему по времени от его входного напряжения. АЧХ интегратора должна иметь спад - 6 дб/окт в диапазоне частот, в котором схема используется как интегратор.
3. Если интегратор используется для интегрирования переменных напряжений, то для уменьшения его чувствительности к дрейфу напряжения сдвига и к заряду конденсатора током смещения следует параллельно С включать корректирующее сопротивление Rp. Для получения хорошей точности нижняя граничная частота должна быть задана на уровне не более 1/10 наинизшей частоты интегрирующего сигнала; при наличии Rp эта граничная частота равна: .
4. Если интегратор используется для интегрирования медленно меняющихся сигналов, то конденсатор интегратора следует периодически разряжать, чтобы за счет тока смещения, не появилась чрезмерная ошибка.
5. Если R и Rp выбирать так, чтобы обеспечить желательный коэффициент усиления по напряжению, а С выбирать так, чтобы задать желательную первую граничную частоту, то интегратор можно использовать как RC - фильтр НЧ с усилением.
6. Выходное напряжение дифференциатора пропорционально скорости изменения входного напряжения. Выражение для выходного напряжения дифференциатора имеет вид:
7. коэффициент усиления дифференциатора должен расти с наклоном 6 дб/окт в диапазоне частот, в котором схема используется как дифференциатор. Такая АЧХ обеспечивается применением конденсатора на входе.
8. Во избежании появления не желательных ВЧ шумов на выходе дифференциатора его следует корректировать.
9. Для осуществления коррекции параллельно R включается конденсатор Ск для получения хорошей точности Ск надо выбирать таким образом, чтобы частота приблизительно в 10 раз превышала наибольшую частоту дифференцируемого сигнала.
10. Так как дифференциатор имеет емкостной вход, следует во избежании перегрузки источники напряжения: Uвх включать последовательно с C сопротивление Rк. Это сопротивление выбирается так, чтобы выполнялось равенство:
Выпрямители
Выпрямители среднего значения дают на выходе напряжение, постоянная составляющая которого пропорционально среднему значению выпрямленного входного напряжения. Работа подобных выпрямителей основана на том. Что при одной полярности входного напряжения с некоторым масштабным коэффициентом подается на выход. А при другом - выходное напряжение поддерживается равном нулю (однополупериодный выпрямитель) или инвертированному входному напряжению (двухполупериодный выпрямитель). Использование ОУ в точных выпрямителях преследует цель уменьшить погрешности преобразования, обусловленные не идеальными ВАХ диодов.
Выпрямитель, схема которого приведена ниже, построен на основе инвертирующего усилителя, содержащего диод в цепи ОС.
Рис. 2.18
При положительной полярности входного сигнала открыт диод Д1 и ОС замыкается через резистор R2. При отрицательной полярности входного сигнала ток ОС течет через диод Д2 и резистор R3. Таким образом, при синусоидальном входном сигнале на зажимах Uвых 1 будут присутствовать положительные полуволны напряжения, и на зажимах Uвых 2 - отрицательные, соответствующие однополупериодному выпрямлению входного сигнала. Поскольку открытый диод входит в прямую цепь замкнутого контура, то падение напряжения на нем практически не сказывается на выходном напряжении. Поэтому при Uвх > 0 получаем
Uвых 1= 0, ,
а при Uвх < 0 и соответственно
и Uвых 2= 0.
При присоединении нагрузки к выходам Uвых 1и Uвых 2 нужно учитывать непостоянство выходного сопротивления выпрямителя. Когда открыт диод, присоединенный к данному выходному зажиму, то выходное сопротивление устройства близко к нуль. Когда же диод закрыт, то выходное сопротивление становится равным сопротивлению R2 для Uвых 2 или R3 для Uвых 1.
Дополнение выпрямителя ОУ А2 дает возможность получить двухполупериодное выпрямление и постоянное близкое к нулю выходное сопротивление.
Если открыт диод Д1 (Uвх> 0), то справедливо равенство:
Если же открыт диод Д2 (Uвх< 0)
Принимая R2= R3= R4= R5= R, получим
Следующий выпрямитель осуществляет двухполупериодное выпрямление, но его нагрузка не заземлена.
Схема:
Рис. 2.19
В ОС ОУ включен диодный мостик Д1...Д4 и сопротивление нагрузки Rн. При любой полярности Uвх ток Iн через нагрузку проходит в одном направлении и равен:
Двухполупериодные выпрямители, имеющие заземленную нагрузку приведены на следующих схемах.:
Рис. 2.20
Рис. 2.21
Для первой схемы при Uвх< 0
, Rвых= 0,
при Uвх> 0
;
Для второй схемы при Uвх< 0
, Rвых= 0
при Uвх>0
;
Если в первой схеме принять R1= R2= 2R3, а во второй схеме - 2R1= R2= R3, то в обоих случаях получим Uвых=0.5 Uвх
Однако выходное сопротивление этих выпрямителей изменяется в зависимости от полярности входного сигнала.
Двухполупериодный выпрямитель имеет при любом знаки входного сигнала близкое к нулю выходное сопротивление.
Схема:
Рис. 2.22
Достоинством выпрямителя является то, что для его построения достаточно всего лишь двух точных резисторов. Когда входное напряжение положительно, оно через резистор R2 проходит на вход повторителя выполненного на ОУ А2, и таким образом получим Uвых= Uвх. Диод Д2 при этом закрыт, и напряжение с выхода ОУ А1 ни как не влияет на состояние ОУ А2.
При отрицательном входном напряжении диод Д2 открыт и повторитель на ОУ А2 оказывается подключенным к выходу ОУ А1. ОС замыкается через резистор R3, и выходное напряжение равно
-Uвх .
Если R3= R1, то для рассматриваемого выпрямителя получим Uвых= Uвх.
Компараторы
Компараторы представляют собой ОУ специального назначения предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения входного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого.
Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низкий дрейф напряжения сдвига устойчиво работать без самовозбуждения и иметь низкое значение тока смещения.
Схема компаратора:
Рис. 2.23
Один вход компаратора соединен с источником опорного напряжения, а на другой подается входной сигнал.
Так как Uвых подается на инвертирующий вход, то выходное напряжение будет мало, когда Uвх> Uоп, и велико, когда Uвх< Uоп.
Если желательно, чтобы Uвых было велико, когда Uвх> Uоп, то следует поменять порядок присоединения входного напряжения к инвертирующему и неинвертирующему входам компаратора. Когда входной сигнал в процессе изменения становится больше опорного, то выход компаратора немедленно изменяет свое состояние или уровень напряжения.
.
приблизительно в 10 раз превышала наибольшую частоту дифференцируемого сигнала.
,
соответственно
и Uвых 2= 0.
, Rвых= 0,
; 
, Rвых= 0
; 
.
