представляют собой высокоиндуктивную нагрузку), коэффициет передачи петли ОС специально сделан небольшим. Зависимость выходного напряжения переменного тока от нагрузки представлена на рис. 3.81. Судя по кривой, схема обеспечивает хорошую (но не слишком высокую) стабилизацию напряжения.

120,0 г~

tt-116,0

: ш

gi 110,0

E g II

e-i 105,0

55 GO

Частота ,Ги,

5 10

Мощность, Вт

Рис. 3.81.

/ - зависимость выходного напряжения от выходной мощности; 2 - зависимость выходного напряжения от частоты.

Назночастотные автоколебания. В усилителях с обратной связью, имеющих межкаскадные связи по переменному току, проблемы обеспечения устойчивости могут возникать и на самых низких частотах. Они бывают связаны с накоплением опережающего фазового сдвига, который может возникнуть в усилителе, состоящем из нескольких каскадов, соединенных между собой через конденсаторы. Каждый блокирующий конденсатор в сочетании с входным сопротивлением, обусловленным цепями смещения и другими подобными элементами схемы усилителя, создает опережающий фазовый сдвиг на низкочастотном участке характеристики, который на частоте, соответствующей точке -3 дБ, равен 45°, а на более низких частотах приближается к 90°. Если цепь ОС обладает достаточным коэффициентом передачи, то в схеме могут возникнуть низкочастотные колебания, которые иногда называют шумом моторной лодки - motorboating . В настоящее время, когда при необходимости всегда можно использовать усилители со связями по постоянному току, низкочастотные автоколебания почти никогда на практике не возникают. Тот, кто занимается электроникой 5521 1аверняка сталкивался с этими явлениями в прошлом

Это явление часто возникает в усилителях мощности низкой частоты при вы-Онии электролитических конденсаторов,- Прим. ред.

Глаеа 3

СХЕМЫ, НЕ ТРЕБУЮЩИЕ ПОЯСНЕНИЙ 3.34. Полезные схемные идеи

На рис. 3.82 показано несколько интересных и удачных схем, заимствованных в основном из технической документации фирм-изготовителей.

Удачные схемы

ЮкОм 1%

10кОм1%

10 кОм

Выход

4,7 МОм

4,7 МОм

Выход ЮВ/мкА

+15 В 1

10 кОм

ICL80G9 (1,23 В)

ВЫХ

(1мкА)

Выход

ШОм

Ж!ход

т^ршеЫ Вход 2

-15 В

Компара- р LM393

Выход 10 мкФ

Увых(макс..)=

130 В (от пика долина).

БОКОМ и

+15 В

150 кОм

LM394

LM394 ЮкОм

к0мИМ4И8

Рис. 3.82.

JT коэффициент усиления; б - усилитель фототока; в - источник тока; г - смеще-

У(, ФФеренцнальнвго усилителя, обеспечивающее нулевой температурный дрейф коэффициента Вых iHa,?i ~ fliitop положительных пнковых значений; е - детектор отрицательных пико-

i плавающей нагрузки быстродействую-

Глава 3

Неудачные схемы

Ч Вход

(по пост, тпоку)

Выход

1кОм

ЭЗкОм И ком

1,0 кОм

+15 В

09 для больших токов

Ско

рость

у Генератор прямо ~V>r уголы - колеб;

+15 В

41SB

♦ 5В

1кОм

100 Ом

Выход

1,0 ком

15 кОм

+15 В

{шабилизир. выход)

110B-I+ лерем.

-4 . ЮкОм шока

5кОм

П Г 60ГЦ

0,1 мкФ ВходН.Ьг

+9 В

+5 В

звуковой чадтпоты

Выход

Другие ОН

: 10 МКФ

Рис. 3.83.

J ~ Регулируемый ограничитель; б - Ю-кратиый усилитель перемеииого тока; - генератор Усили' *олебаний; е - источник тока (программируемый напряжением); д - ЮО-кратный Литр °<=тояниого тока; е - источник тока 200 мА; ж - выходной каскад иа ОУдля уси-

15В' У^овых частот со ЮО-Кратным усилением; э - триггер Шмитта; и - стабилизатор иа Усили в звуковых частот с ЮО-кратным усилением и однополярным питанием; л -

н пп о^оинного тока с перестраиваемым усилением (XI - ХЮО); м - детектор нуля; операционный усилитель в качестве стабилизатора --15В.

3.35. Негодные схемы

На рис. 3.83 представлена целая коллекция схем, содержащих заведомые ошибки. Пусть они немного вас позабавят и предостерегут от возможных промахов в работе. Среди них есть несколько настоящих чудищ. Можно гарантировать, что они никогда не будут работать. Разберитесь почему. Во всех операционных усилителях используются источники питания ±15В; если используются другие напряжения питания, то они указаны на схемах.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

(1) Разработайте схему чувствительного вольтметра . Он должен иметь 2=1 МОм и в четырех диапазонах обеспечивать чувствительность от 10 мВ до 10 В. Используйте измерительный прибор с размахом шкалы 1 мА и операционный усилитель. Если потребуется, отрегулируйте сдвиги напряжения. Подсчитайте показания прибора при разомкнутом входе, если: (а) /(. =30 пА (типичное значение для ОУ типа 355) и (б) /см=80 нА (типичное значение для ОУ типа 741). Подумайте о том, какие ограничения следует ввести, чтобы предохранить прибор от повреждений (например, можно ограничить величину тока, чтобы она не превышала 200% полного размаха шкалы), и защитите входы усилителя от напряжений, которые выходят за пределы питающих напряжений. Как вы думаете: подойдет ли для высокоимпедансных измерений сигналов низкого уровня ОУ типа 741?

(2) Разработайте схему усилителя звуковых частот на основе ОУ типа 5534 (имеет низкий уровень шумов, рекомендуется для использования в усилителях звуковых частот). Усилитель должен иметь следующие характеристики: К=20 дБ, Zg= 10 кОм, точка -3 дБ соответствует частоте 20 Гц. Используйте неинвертирующую схему, предусмотрите, чтобы спад усиления на низких частотах ослаблял влияние входного напряжения сдвига. Разработайте схему с учетом того, что влияние входного тока смещения на выходной сдвиг должно быть минимальным. Учтите, что источник сигнала подключен через конденсатор.

(3) Разработайте схему расщепления фаз (фазоинвертора) с единичным коэффициентом усиления (см. гл. 2) на основе ОУ типа 741. Схема должна иметь высокое входное и

низкое выходное сопротивления. Учитывая ограничения по скорости нарастания, оцените грубо максимальную частоту, на которой можно получить полный размах сигнала (27 В от пика до пика при использовании напряжения питания й:15 В).

(схема не имеет - выхода)

(4) Усилители мощности звуковых частот фирмы Е1

Cheapo на верхних частотах возбуждаются из-за начинающегося с частоты 2 кГц (точка -ЬЗдБ на характеристике) нарастания усиления -j-6 дБ/октава. Разработайте простой /?С-фильтр, который можно было бы включить между пред-усилителем и усилителем для компенсации возбуждения. При необходимости RC-фтътр можно построить на ОУ типа AD544 (еще одна интегральная схема,рекомендуемая для использования в звуковом диапазоне частот). Для предусилителя 2вых=50 кОм, а для усилителя Zbx=10 кОм. (5) Операционный усилитель типа 741 используется в качестве простого компаратора с одним заземленным входом, т. е. в качестве детектора нулевого уровня. На второй вход поступает синусоидальный сигнал с амплитудой 1 В (частота 1 кГц). Чему равно лапряженне на входе, когда напряжение на выходе проходит через уровень О В?

Рис. 3.84.

Положить, что скорость нарастания составляет 0,5 В/мкс, а напряжение насыщения выхода равно В.

(6) На рис. 3.84 дан пример схемы преобразователя отрицательного сопротивления, (а) Чему равно ее входное сопротивление? (б) Диапазон выходного напряжения ограничен значениями U + и Каков диапазон входного напряжения, в котором схема работает без насыщения?

1 Вход 1 Конвертер j ошрицат. 1 сопротив-1 ления

Рис. 3.85.

(7) Представьте только что рассмотренную схему в виде эквивалентного черного ящика с двумя выводами (рис. 3.85). Как с помощью этого двухполюсника построить усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления -10? Почему нельзя сделать усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления +10? (Подсказка: в определенном диапазоне сопротивлений источника схема работает как защелка . Чему равен этот диапазон? Какие меры могут, на ваш взгляд, здесь помочь?)

Глава 4

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ И ГЕНЕРАТОРЫ

Целый ряд интересных видов линейных (т. е. нецифровых) схем можно изучать, зная только транзисторы и ОУ. Это позволит читателю твердо усвоить ряд трудных моментов (таких, как нюансы поведения транзисторов, обратная связь, ограничения, свойственные ОУ и т.д.), перед тем как мы приступим к описанию новых устройств и перейдем к обширной области цифровой схемотехники. Поэтому в данной главе кратко рассмотрены активные фильтры и генераторы. Другие аналоговые устройства будут рассмотрены в гл. 5 (стабилизаторы напряжения и сильноточные устройства), гл. 6 (схемы на полевых транзисторах), гл. 7 (прецизионные и малошумящие схемы), гл. 13 (радиочастотная техника) и гл. 14 (измерения и обработка сигналов). В первой части этой главы описывается специализированная аппаратура (активные фильтры, разд. 4.01-4.10), и при первом чтении эту часть можно опустить. Вторую часть (генераторы, разд. 4.11-4.16), в которой описывается аппаратура с широкой областью применения, опускать не следует.

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ

В гл. 1 обсуждались фильтры, состоящие из резисторов и конденсаторов. Эти простые /?С-фильтры высоких или низких частот имеют пологие характеристики спада коэффициента усиления 6 дБ/октава после точки, отвечающей значению усиления -3 дБ. Было показано, как построить полосовой фильтр, соединяя каскадно фильтр высоких частот и фильтр низких частот. Характеристика такого фильтра опять же имеет пологие склоны с крутизной 6 дБ/октава. Для многих целей такие фильтры вполне подходят, особенно в тех случаях, когда сигнал, который должен быть отсечен, далеко сдвинут по частоте относительно желательной полосы пропускания. В качестве примеров можно указать шунтирование радиочастотных сигналов в схемах усиления звуковых частот, блокирующий конденсатор для отделения уровня постоянного тока и разделение модулирующей и несущей частот.

4.01. Частотная характеристика фильтра

Однако часто возникает необходимость в фильтрах с более плоским горизонтальным участком характеристики в полосе пропускания и более крутыми склонами. Такая потребность существует всегда, когда

надо отделить сигнал от близкой по частоте помехи. Немедленно возникает очевидный вопрос: можно ли, соединяя каскадно одинаковые фильтры, например фильтры низких частот, получить фильтр низких частот с характеристикой, близкой к идеальной прямоугольной, как на рис. 4.1.

Мы знаем, что простое каскадное соединение не даст результата, так как входное сопротивление каждой секции звена будет служить существенной нагрузкой для предыдущей секции, ухудшая характеристику. Но если поставить буферы между всеми секциями - звень- ями - или сделать полное входное сопротив- г? 1 ление каждой секции намного выше, чем у предшествующей, то, казалось бы, можно до- sS биться желаемого эффекта. Тем не менее ответ о на поставленный вопрос будет отрицательным, /о

Соединенные каскадно фильтры действитель- р^,. 4 j но дадут характеристику с крутым наклоном, но излом этой характеристики не будет резким. Это можно сформулировать так: из многих плавных перегибов не сделать одного крутого. Чтобы показать это наглядно, мы построим несколько графиков частотных характеристик коэффициента усиления, т. е. UJUдля фильтров низких частот, составленных из 1,2, 4, 8, 16, и 32 идентичных, хорошо разделенных буферными усилителями /?С-звеньев (рис. 4.2).

На первом графике показан эффект от каскадного соединения нескольких /?С-звеньев, у каждого из которых точка, отвечающая значению -3 дБ, находится на единичной частоте. По мере добавления новых секций эта точка сдвигается по частоте вниз, как легко можно было предсказать. Чтобы сравнение фильтров было корректным, надо таким образом отрегулировать отдельные звенья, чтобы частота, отвечающая значению -3 дБ, была одна и та же для сравниваемых фильтров. Остальные графики на рис. 4.2, как и несколько следующих графиков в этой главе, нормированы по частоте, в том смысле, что точка, отвечающая значению -3 дБ (или точка перегиба), находится на частоте 1 рад/с. Чтобы найти характеристику фильтра, у которого точка излома находится на другой частоте, нужно изменить масштаб по оси частот умножением на истинное значение точки излома. Вообще, имея дело с фильтрами, мы будем придерживаться графиков с логарифмическим масштабом по обеим осям, поскольку такой график дает наибольшую информацию о частотной характеристике. Он позволяет увидеть приближение к окончательной крутизне спада и дает возможность считать точное значение ослабления. В данном случае {RC-звенья, соединенные каскадно) на нормализованных графиках рис. 4.2, б и 4.2, в показан плавный изгиб характеристики пассивного RC-фильтра.

То есть разделяющие усилители мощности с высоким входным и низким выходным сопротивлениями,- Прим. ред.

1. -г

Частота, Гц

1.0 10

Нории1Х)ванная частота

Рис. 4.2. Частотные характеристики многокаскадных ЛС-фиЛьтров.

Графики а и б выполнены в линейном масштабе, график в - в логарифмическом. Характерно-

тики на графиках бае нормализованы приведеннеи точки -3 дБ к единичной частоте.