+ К. с). = Ro. с (вых + t/l)/( o. с + о. с) = (53 кОм) ( 10 В)/

/150 кОм = 3,33 в.

Наконец, если максимальное выходное напряжение усилителя Уу равно

14 В, то /?з = (t/eb,x. макс У. Ст)Д^ + вых + J = (И В - 10 В)/

Д12 мА + 2 мА + 0,133 мА) = 283 Ом.

9.11.5. ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ, УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ

В предыдущем разделе было замечено, что путем изменения напряжения Ui (рис. 9.14) можно управлять частотой генератора напряжения линейной пилообразной формы. Схема, показанная на рис. 9.15, работает как управляемый генератор при изменении входного напряжения. Чем выше входное напряжение, тем быстрее заряжается конденсатор (благодаря увеличению зарядного тока) и тем выше частота. Усилитель Уу работает как повторитель напряжения, когда полевые транзисторы

и Гг выключены, и как инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным единице, при включенных транзисторах Tl и Т2. Усилитель У1 попеременно выдает -fC/вх и -(/вх на вход интегратора, заставляя конденсатор заряжаться отрицательным зарядом при --{Увх и положительным при -Ubx-В этой схеме Уз - компаратор, который включает транзисторы Tl и Т2, когда выход интегратора достигает напряжения Ub = - -UcARi/iRi + Rb)], и выключает Г; и Т2, когда Ub = = UcARi/{R + R6)].

Схема работает следующим образом. При выключенных транзисторах Ti и Т2 (это означает, что выходное напряжение равно -Ост) напряжение Ubx прикладывается к интегратору, заставляя конденсатор линейно заряжаться. Выходное напряжение интегратора продолжает изменяться с отрицательным наклоном до тех пор, пока не станет равным отрицательному напряжению на R. В этот момент выход компаратора Уз переключается на +Uct. Транзисторы 7, и Т2 включаются, превращая У, б инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным единице. Вход интегратора теперь становится равным -Ubx, и его выходное напряжение начинает изменяться с положительным наклоном в сторону положительных напряжений. Положительное напряжение на выходе интегратора будет расти до тех пор, пока не станет равным положительному напряжению на R4. В этот момент выходное напряжение компаратора меняется на отрицательное, вызывая отключение транзисторов Tl и Га, и затем процесс повторяется.

Для того чтобы схема хорошо работала на низкой частоте, 2 должен быть ОУ с полевыми транзисторами на входе. Для получения высокой скорости переключения усилители У1 и Уа

/?,/2

Ст

С

*Ucr

Рис. 9.15. Генератор сигналов прямоугольной формы, управляемый напряжением, а-схема; 6-Uj, Vg и

следует выбирать среди наиболее быстродействующих ОУ с полевыми транзисторами на входе. Необходимо также помнить,

что Ubx. должно быТЬ МСНЬШС Uqt

1. Операционные усилители полезны во многих применениях во всех областях -Электроники.

2. Пиковые детекторы представляют собой схемы, которые обнаруживают и запоминают пиковое значение входного напряжения. Высокое входное полное сопротивление ОУ (особенно ОУ с полевыми транзисторами на входе) делает их идеальными для применения в этих схемах.

3. Детекторы прохождения напряжения через нуль представляют собой схемы, спроектированные так, чтобы получать большие изменения выходного напряжения в момент, когда входной сигнал проходит через нуль. Высокий коэффициент усиления ОУ является фактором, определяющим их эффективность для этой цели. Детекторы нуля полезны при построении многих типов испы-ч^ательиого оборудования, например фазовых детекторов.

4- Для увеличения выходного тока ОУ могут быть использованы дополнительные навесные транзисторы. Ошибка, возникающая при их включении, ста

Пример 9.7. Рассчитать компоненты генератора сигналов, управляемого напряжением по схеме рис. 9.15, так, чтобы при {Увх = 5 В частота генератора равнялась 10 кГц. Операционный усилитель взять типа TL081 с полевым входом. Параметры этих ОУ приведены в приложении В. Положить Ucr = 10 В и ;{У = ±15 В. Полевые транзисторы с р - -переходом Ti и Т2 имеют С^зи отс ~ ~ 3 и отобраны с = 200 Ом Выходной ток генератора

должен быть равным 10 мА.

Решение: Напряжение переключения выбирается и устанавливается с помощью Ro и R4. Это напряжение равно пиковому выходному напряжению интегратора. Установим произвольно это напряжение равным 5 В. и R4 будут теперь одинаковыми. Положим 1/ = 1/ = 0,\ мА, тогда 4 = 5=* = 5 В/0,1 мА = 50 кОм; Re, используемое в цепи управления полевыми транзисторами, выбираем равным 100 кОм.

Общий ток, потребляемый от Уз, теперь известен, так что может быть вычислено значение R3. Если /ст = 3 мА, то йз = ({вых. макс УЗ - Ст)/(2 б + + вых+Ст+= 3.5 В/13,3 мА = 263 Ом. Резисторы для У, выбираются гочти произвольно.

Положим, что для получения +Ua = -Ua Ri = 49 кОм, Rn = 25 кОм и i?2 = 50 кОм;- через резисторы, подключаемые к неинвертирующему входу У1, лротекает ток смещения, и для снижения напряжения сдвига на выходе выбираем их равными R\/2 = 25 кОм.

Ток, отдаваемый TL081, составляет около 20 мА. Если /у^=1 мА при максимальной частоте 10 кГц, то можно найти значение С из выражения С = It/U, где / = Ij t = г/2, U = {Уконд. пп - напряжение на конденсаторе от пика до пика. Получаем

С = (1 мА) (0,05 мс)/10 В = 0,005 мкФ, = 5 В/1 мА = 5 кОм.

Выбор меньших зарядных токов привел бы к необходимости ставить кон-ленсаторы очень малой емкости.

Из любопытства посмотрим, какова будет частота генератора при f/вх = = 1 В. Из выражений С = It/U, t = CU/l, где t = т/2, / = Unx/R U = = и кона, пп, следует, что

t = (0,005 мкФ) (10 В)/(1 В/5 кОм) = 0,25 мс, 1/2< = 1/0.5 мс = 2000 Гц.

новится перенебрежимо малой, коль скоро они находятся в контуре обратной связи.

5. Высокий коэффициент усиления и простота, с которой организуется обратная связь при использовании ОУ, делают их идеальными элементами в качестве источников неизменного тока и напряжения.

6. Операционные усилители могут быть использованы для упрощения схем и улучшения работы многих генераторов сигналов. Генераторы сигналов прямоугольной формы, выполненные иа базе ОУ, представляют собой, по существу, компараторы с самовозвратом в исходное состояние. Генераторы сигналов треугольной и пилообразной формы в своей основе являются интеграторами, на вход которых подаются сигналы прямоугольной формы, получаемые от компараторов, используемых в качестве генераторов сигналов прямоугольной формы. Если входное напряжение генератора треугольной или линейной пилообразной формы сделать переменным, то в результате получается генератор, управляемый напряжением.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

9.1. Опишите принцип работы пикового детектора.

9.2. Почему усилитель Уг (рис. 9.1) должен быть.ОУ с полевыми транзисторами на входе?

9.3. Укажите назначение сумматора-вычитателя на рис. 9.2.

9.4. Объясните, почему токовые бустеры вносят очень малую ошибку в значение К ОУ.

9.5. Какие свойства ОУ улучшают стабильность источника опорного напряжения, приведенного на рис. 9.9?

9.6. Укажите причину, по которой необходима автоматическая стабилизация амплитуды генератора с мостом Вина.

9.7. Назовите основную функцию ОУ в генераторе сигналов прямоугольной формы, изображенном иа рис. 9.12.

9.8. Назовите функции, выполняемые соответственно усилителями У, и Уг в генераторе сигналов треугольной формы рис. 9.13.

9.9. Почему усилитель У\ на рис. 9.14 должен иметь высокую скорость нарастания напряжения на выходе?

9.10. Если Ui изменяется, то изменяется и частота линейного пилообразного сигнала схемы рис. 9.14. Почему?

9.11. Укажите назначение каждого усилителя схемы рис. 9.15. Если встречаются затруднения в ответах на некоторые вопросы, то отметьте их и для отыскания ответов просмотрите соответствующие разделы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Цель работы. После завершения этой лабораторной работы учащийся должен быть способен построить и запустить в работу три перечисленных в лабораторной работе схемы, а также указать особенности их функционирования.

Оборудование. Требуемое лабораторное оборудование будет меняться в зависимости от характера выполняемой работы. Основная часть перечисленного ниже оборудования, безусловно, понадобится. 1. Три операционных усилителя типа TL081 фирмы Texas Instruments или их аналоги. 2. Набор резисторов с допуском ±2 % 3. Источники питания ± 15 В постоянного' тока. 4. Потенциометры: 10 кОм - 1 шт., несколько штук по 50 кОм. 5. Два п-ка-нальных полевых транзистора с р - п-переходом. 6. Два стабилизатора на 4,7 В. 7. Осциллограф. 8. Макетная плата с разъемными вставками для ИС, такая, как EL Instruments SK-10. 9. Генератор сигналов звуковых частот.

Порядок выполнения работы. 1. Пиковый детектор, (а) Соберите пико-.

Рис. 9.16. Пиковый детектор.

вый детектор по схеме, показанной на рис. 9.16. (б) Подключите сигнал зву ковой частоты и медленно установите входное напряжение, контролируя напряжение на входе и выходе по осциллографу, (в) Установите входное на-

Рис. 9.17. Генератор с мостом Вина.

= 1/2лУ?С, С=0.1 мкФ.

пряжение равным нулю и наблюдайте, как долго на выходе будет сохраняться пиковое значение напряжения.

2. Генератор с мостом Вина, (а) Рассчитайте компоненты генератора с мостом Вина по схеме, показанной на рис. 9.17. Положите С = 0,1 мкФ и /г=2кГц. (б) С помощью потенциометра Я добейтесь начала генерации. Измерьте частоту генерации и сравните измеренную и расчетную величины, (в) Наблюдайте форму напряжения в точке А. Сравните ее с формой напряжения на выходе ОУ.

Рис. 9.18. Генератор сигналов прямоугольной формы.

Пспожите rj(pf + r) = 0,m, f = l/2r c.

вых

Рис. 9.19. Генератор сигналов треугольной формы.

c=lrjluun- ,=(fCT + 0.7B) ,5,.

3. Генератор напряжения прямоугольной формы, (а) Соберите генератор сигналов прямоугольной формы по схеме рис. 9.18. Установите частоту генератора равной 1 кГи. (б) Наблюдайте выходной сигнал и сравните действительную частоту генерации с расчетным значением, (в) Подсоедините интегратор к выходу генератора прямоугольных сигналов, как показано на рнс. 9.19. Рассчитайте значения Ri и С так, чтобы получаемый сигнал тре-\гольной формы имел пиковое значение 5 Б (от пика до пика 10 В).

4. Факультативный раздел, (а) Рассчитайте компоненты и соберите управляемый напряжением генератор сигналов по схеме рис. 9.15 для получения частоты генерации 1 кГц при Ux = 5 Б. (б) Начертите зависимость частоты генерации от входного напряжения. Ubx меняйте ступенями по 0,5 В в диапазоне от 0,5 до 5,5 В.

ГЛАВА 10

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Операционные усилители можно отнести к ИС общего назначения, имеющим много применений в разнообразных аналоговых охемах. Уже разработаны специализированные ОУ для тех применений, где от ОУ требуются специальные характеристики и где для них имеется достаточный рынок сбыта. О специализированных схемах, производимых в настоящее время, можно было бы написать отдельную книгу. В этой главе будут рассмотрены линейные и импульсные стабилизаторы для источников питания. Ряд других специализированных ИС будет рассмотрен в гл. И, и с ними можно ознакомиться по каталогам линейных ИС.

Назначение главы. После изучения материалов этой главы и контрольных вопросов учащийся должен уметь:

1. Рассчитать значения параметров элементов в линейном стабилизаторе напряжения и описать принцип его работы.

2. Описать принцип работы и рассчитать значения параметров вспомогательных элементов для приведенных интегральных схем стабилизаторов напряжения.

3. Описать принцип работы и рассчитать значения параметров элементов для приведенных интегральных схем импульсных стабилизаторов напряжения.

4. Выполнить лабораторную работу к гл. 10.

10.1. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ 10.1.1. ТИПЫ СТАБИЛИЗАТОРОВ

Почти для всех современных электронных схем очень существенно иметь источник напряжения, у которого выходное напряжение остается постоянным при изменениях входного напряжения и тока нагрузки. Изменения напряжения источника питания могут вызвать изменения на выходе питаемой схемы, неотличимые от тех изменений, которые создаются истинным входным Сигналом, а избыточное напряжение источника питания может Привести к разрушению всей схемы. Поэтому хорошо стабили-

зированный источник питания постоянного тока очень существен для правильной работы как линейных), так и цифровых схем. Широкое распространение получили в последние годы интегральные схемы стабилизаторов напряжения, требующие только немногих внещних элементов. Такие интегральные схемы стабилизаторов отличаются превосходными рабочими характеристиками при очень умеренной стоимости. В результате появляется возможность снабдить каждую печатную плату собственным стабилизатором напряжения или стабилизированным источником питания, что позволяет подавать на нее только нестаби-лизированные напряжения постоянного или переменного тока. При этом повыщается надежность системы, так как выход из строя одного стабилизатора напряжения не приводит в нерабочее состояние всю систему в целом. Уменьшаются также трудности, связанные с наводками шумов на длинные провода, распределяющие стабилизированное напряжение постоянного тока, а также с напряжениями, возникающими на шинах питания и земли при переходных процессах. Это достигается за счет расположения стабилизаторов напряжения в непосредственной близости к схемам, потребляющим стабилизированное напряжение.

В интегральном исполнении имеются два главных типа стабилизаторов напряжения - линейные и импульсные. Линейные стабилизаторы напряжения для осуществления стабилизации имеют регулирующие элементы, включаемые либо последовательно ( проходные), либо параллельно нагрузке.

Из блок-схемы стабилизатора последовательного действия, представленной на рис. 10.1, а, следует, что для того, чтобы удержать выходное напряжение постоянным, на проходном регулирующем элементе (обычно транзисторе) должно устанавливаться соответствующее падение напряжения. Стабилизатор параллельного действия, показанный на рис. 10.1,6, использует регулирующий элемент (обычно транзистор), включенный параллельно нагрузке. При этом удерживается постоянным ток, протекающий через нагрузку. Если напряжение на нагрузке падает, то шунтирующий нагрузку регилирующий элемент уменьшает свою проводимость, заставляя тем самым большой ток протекать через нагрузку. Увеличенный ток нагрузки вызывает увеличение напряжения на нагрузке до своего исходного значения Постоянное потребление большого тока в стабилизаторах параллельного действия оказывается очень неэффективным при низких токах нагрузки. Потому в настоящее время такие

> Точнее было бы здесь указать - аналоговых . - Прим. перев.

Следует уточнить: если напряжение на нагрузке падает, то шунтирующий нагрузку регулирующий элемент уменьшает свою проводимость. При этом уменьшается общий ток и уменьшается падение напряжения на последовательно включенном сопротивлении так, чтобы напряжение на нагрузке вернулось к своему исходному значению. - Прим. перев.

Мправляющий элемент

Регулирующая схема

еых

ИОН

ИОН

Регулирующая схема

1о = уэ

Управляющий элемент

Рис. 10 1. Типы линейных стабилизаторов напряжения.

I о - стабилизатор последовательного действия; б - стабилизатор па-

раллельного действия, t/j нестабилизированиое входное напря-

чь жеиие постоянного тока, t/y g- напряжение управляющего элемента,

v* -доля выходного напряжения. ИОН - источник опорного на-

ж вых

пряжения, t/gi - стабилизированное выходное напряжение постоянен кого тока, r - последовательный резистор. 1- общий ток, - ток нагрузки, /у д- ток управляющего элемента.

рабилизаторы редко используются, и подробности о них не

удут приведены в этой главе.

Импульсный стабилизатор составляет второй основной тип стабилизаторов напряжения. Регулирующий элемент (биполярный транзистор или мощный полевой МОП-транзистор) управляется так, что он либо полностью включен, либо выключен и рассеивает заметную мощность только во время включенного состояния. На рис. 10.2, а показана блок-схема импульсного стабилизатора. Если времена переключения существенно короче По сравнению с промежутками времени пребывания транзи-

Ключевой элемент

Ион

iC-фильтр

регулирующая схема с ШИМ

-о

. а

Рис. 10.2. Импульсный стабилизатор.

о - блок-схема; б - широтно-импуль;-

ное регулирование. Наверху-при малом токе нагрузки внизу - при большом токе нагрузки, к.п. э ~ выходное напряжение ключевого элемента, ШИМ - широтно-им-пульсная модуляция. Остальные обозначения - см. рис. 10.1.

стора во включенном и отключенном состояниях, то регулирующий элемент рассеивает очень малую часть входной мощности. Таким образом, импульсные источники питания значительно-более эффективны, чем линейные. Коэффициент полезного действия импульсных источников питания часто превышает 90%, в то время как к. п. д. источников питания с непрерывно дейст-вующи.м проходным регулирующим элементом редко достигает 70-80 %, а чаще гораздо ниже за счет мощности, потребляемой последовательно включенным регулирующим транзистором. Стабилизация в импульсных источниках питания достигается за счет изменения времен включенного и отключенного состояний регулирующего элемента. Чем дольше регулирующий элемент находится во включенном состоянии, тем выше выходное напряжение. Это называется широтно-импульсной модуляцией