Операционные усилители. Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Операционные усилители. Прежде чем перейти к анализу принципа действия схем цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, коротко рассмотрим важнейший элемент интегральной техники — операционный усилитель (ОУ), на котором, в частности, построены современные компараторы (устройства сравнения).

Операционным усилителем называют высококачественный интегральный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (10 ⁶... 10 ⁷), высокое входное (сотни мегаом) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления. Условное графическое обозначение ОУ показано на (рис. 8.3 а).

По отношению к выходу один из входов ОУ является неинвертирующимU _н, а другой — инвертирующимU _и; последний обозначается знаком инверсии (кружок на входе ОУ). Питание ОУ осуществляется от двух одинаковых разнополярных источников + U _п и – U _п (на графических обозначениях источники питания обычно не показывают). При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярными, а нулевым входным сигналам соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу — разности входных напряжений U _н ‒ U _и.

Коэффициент усиления по напряжению — K ₀ собственно ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:

K ₀ = .

Передаточные характеристики (рис. 8.3 б) имеют важнейшее значение для ОУ. Если усиливаемый сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного напряжения (линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлении неинвертирующегознак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2).

Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжениюK ₀. Горизонтальные участки передаточных характеристик соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ, поэтому выходное напряжение

± U _вых = ≈ ± U _п.

В теории интегральной усилительной техники в целях упрощения анализа и расчета схем на операционных усилителях вводят понятие «идеальный» ОУ, для которого справедливы следующие допущения: бесконечно большие коэффициент усиленияK ₀ = ∞, входное сопротивлениеR _вx0 = ∞ и нулевое выходное сопротивлениеR _вых0 = 0. Из этих допущений вытекают два основных свойства (правила анализа) ОУ.

1. Дифференциальный входной сигнал равен нулю:

U ₀ = = = 0.

2. Входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала:

I ₀ = = = 0.

Изложенное ранее понятие идеального ОУ соответствует так называемому принципу виртуального (кажущегося) замыкания его инвертирующего и неинвертирующего входов. При виртуальном замыкании, как и при физическом (обычном), напряжение между соединенными зажимами равно нулю. Вместе с тем в отличие от физического замыкания ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет. Иначе говоря, для тока виртуальное замыкание зажимов эквивалентно разрыву электрической цепи.

В зависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешних элементов можно получить две фундаментальные схемы включения: инвертирующую и неинвертирующую. Любое схемотехническое решение с применением ОУ базируется на этих включениях. Одно из них осуществлено в компараторе.

Компаратор — устройство, осуществляющее сравнение двух аналоговых напряжений. В простейшей схеме компаратора входное напряжение сравнивается с некоторым опорным, в качестве которого используется часть выходного напряжения (рис. 8.4 а).

На инвертирующий вход ОУ поступает входное напряжение, а на неинвертирующий вход подается опорное напряжение U _оп = U _н = β U_m, снимаемое с делителя R 1, R 2. Таким образом, ОУ охвачен положительной обратной связью по неинвертирующему входу, и выходное напряжение скачком изменяет свою полярность при сравнении входного и опорного напряжений.

Принцип действия компаратора рассмотрим с помощью передаточной характеристики — зависимости выходного напряжения от входного (рис. 8.4 б). Пусть входное напряжение U _вх = 0, а выходное U _вых = , (точка 1 на рис. 8.4 б). При этом напряжение на неинвертирующем входе

U _н = β ,

где β — коэффициент передачи резистивной цепиR 1, R 2 положительной обратной связи в компараторе, β = R 1 / (R 1 + R 2).

Если входное напряжение больше нуля и увеличивается, то при сравнении его амплитуды с опорным, равным напряжению срабатыванияU _ср = β , компаратор переключается. При этом произойдет скачкообразное изменение выходного напряжения со значения на значение (переход от точки 2 к точке 3 на рис. 8.4 б). Дальнейшее увеличение входного напряжения не изменит состояния компаратора, и напряжение на неинвертирующем входе ОУ будет также постоянным: U _н = β . При уменьшении входного напряжения до значения опорного, равного напряжению отпусканияU _отп = U _вх = β , произойдет скачкообразный возврат компаратора в исходное состояние. Выходное напряжение при этом изменится с на , (переход от точки 4 к точке 5 на рис. 8.4 б).

Таким образом, передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистерезиса. Такой компаратор обладает триггерным (переключающим) эффектом, и в радиоэлектронике его называют триггером Шмитта. Сумма напряжений срабатывания и отпускания

U _г = U _ср + U _отп = 2 β U_m,

является напряжением гистерезиса. Оно вводится для повышения помехоустойчивости, что позволяет устранить «дребезг» триггера, т.е. случайное его переключение напряжением помех при отсутствии входного сигнала.

В компараторе на ОУ амплитуда выходного напряжения практически равна напряжению питания:

U _вых = ≈ ± U _п.

Компараторы применяют для формирования сигналов прямоугольной формы из различных видов непрерывных сигналов. В частности, при подаче на вход компаратора синусоидального напряжения (рис. 8.5) на его выходе формируется симметричное прямоугольное колебание — меандр (от др. греч. μεα v δρ — узор, геометрический орнамент).

Пусть в момент времени t = 0 напряжение на выходе компаратора U = . В таком состоянии компаратор будет находиться, пока амплитуда входного напряжения U _вх < U _cp. В момент времени t = t ₁ входное напряжение станет U _вх = U _ср и компаратор переключится. При этом выходное напряжение U _вых скачком изменится со значения на значение . В момент времени t = t ₂ входное напряжение станет равным напряжению отпускания U _отп, и произойдет новое переключение компаратора.

Цифроаналоговые преобразователи. Принцип действия четырехразрядного ЦАП иллюстрируется с помощью простейшей схемы на ОУ, представленной на (рис. 8.6).

Основу схемы составляет матрица резисторов с источником постоянного напряженияE, соединенных с инвертирующим входом ОУ ключами, которые управляются двоичным кодом (например, выходным кодом счетчика). В зависимости от поступающего кода цифрового сигнала подключаются резисторы с различными номиналами сопротивлений. В схеме ключи замыкаются только при поступлении на них команд, соответствующих логической единице. Коэффициенты усиления инвертирующего усилителя по входам 2 ⁰, 2 ¹, 2 ² и 2 ³ соответственно:

K ₀ = ‒ R ₀ Q ₀/ R; K ₁ = ‒2 R ₀ Q ₁/ R; K ₂ = ‒4 R ₀ Q ₂/ R; K ₃ = ‒8 R ₀ Q ₃/ R.

Здесь Q ₀, Q ₁, Q ₂, Q ₃ — кодовые числа, принимающие два значения: либо 1 (ключ замкнут), либо 0 (ключ разомкнут).

Из формулы следует, что четырехразрядный двоичный код преобразуется в выходное напряжение, изменяющееся по амплитуде от 0 до 15∆ (напомним, что ∆ — шаг квантования). Например, двоичному числу 1001 соответствует выходное напряжение U _вых1 = ∆(1 ∙ 1 + 2 ∙ 0 + 4 ∙ 0 + 8 ∙ 1) = 9∆, а числу 1100 — U _вых2 = 12∆. Поскольку на вход резистивной матрицы подается постоянное напряжение E, то выходное напряжение ЦАП изменяется скачками при переключении кода цифрового сигнала. Сглаживание выходного сигнала осуществляется фильтром низкой частоты (ФНЧ).

Аналого - цифровые преобразователи. По своей структуре они более сложны, чем ЦАП, причем последние часто являются основным узлом АЦП. В настоящее время существуют три различных метода построения схем АЦП: последовательный, параллельный и последовательно - параллельный.

Последовательный (последовательного счета) метод построения АЦП (рис. 8.7) основан на подсчете числа суммирований опорного напряжения младшего разряда, необходимого для получения напряжения, равного входному. При этом k -разрядный двоичный код одного отсчета определяется в схеме за 2 ^kинтервалов дискретизации.

Начало преобразования входного непрерывного сигнала определяется временем поступления импульса запуска, который через RS -триггер T и логический элемент И подключает выход генератора тактовых (счетных) импульсов M к счетчику Сч. Схема ЦАП D/A, куда поступает цифровой код со счетчика, формирует выходное напряжениеU _вых, которое сравнивается в компараторе K с входным напряжением U _вх. При сравнении этих напряжений компаратор через логический элемент И выдаст сигнал прекращения подачи на счетчик Сч тактовых импульсов. В результате осуществляется считывание со счетчика выходного четырехразрядного кода, представляющего в момент окончания преобразования цифровой эквивалент выходного напряжения. В описанном АЦП значения выходного цифрового кода в процессе преобразования многократно изменяются, поэтому он обладает низким быстродействием.

Действие параллельных (по методу считывания) k -разрядных АЦП основано на использовании 2 ^k ‒ 1 компараторов (рис. 8.8). Неинвертирующие входы ОУ компараторов объединены, и на них подается непрерывный сигнал, а к каждому инвертирующему входу подключено индивидуальное опорное напряжение, снимаемое с резистивного делителя. Разность между опорным напряжением двух соседних компараторов равна шагу квантования ∆ = U _оп/ 2 ^k. Компараторы, у которых входное напряжение превысит соответствующее опорное напряжение, вырабатывают логическую 1, а остальные — логический 0. Информация с выходов компараторов поступает на шифратор CD, который преобразует ее в двоичный код.

Параллельные схемы обладают наибольшим быстродействием среди других типов АЦП. Однако для повышения точности измерений и уменьшения мощности шумов квантования в параллельных АЦП требуется увеличение числа компараторов.

В последовательно - параллельных схемах АЦП используется сочетание методов последовательного и параллельного преобразования сигналов, что существенно увеличивает быстродействие последовательныхпреобразователей и уменьшает объем параллельных. Структурная схема шестиразрядного АЦП данного типа, в которой используются два трехразрядных параллельных АЦП, один трехразрядный ЦАП и сумматор ∑, показана на (рис. 8.9).

Аналого-цифровой преобразователь формирует из входного напряжения три старших разряда выходного кода, соответствующие значениям 2 ³, 2 ⁴ и 2 ⁵. Эти разряды поступают на вход трехразрядного ЦАП, в котором они вновь преобразуются в аналоговое напряжение, отличающееся от входного напряжения U _вх на величину погрешности преобразования схемы АЦП 1. Аналоговое напряжение с выхода схемы ЦАП подается на сумматор ∑, где оно вычитается из входного напряженияU _вх. Полученное разностное напряжение подается на АЦП 2, в котором оно преобразуется в три младших цифровых разряда 2 ², 2 ¹, 2 ⁰ выходного кода преобразователя.

В последние годы получили применение аналого - дискретные измерительные приборы. В отличие от ЦИП в них используют квазианалоговые отсчетные устройства, в которых роль указателя выполняет светящаяся полоса или светящаяся точка, меняющие дискретно свою длину (полоса) или положение (точка) относительно шкалы. Квазианалоговые отсчетные устройства управляются кодом. Такие приборы сочетают в себе достоинства аналоговых приборов и ЦИП.

 

Контрольные вопросы

1 Что называется цифровым измерительным прибором? Какие разновидности ЦИП существуют?

2 Каковы основные классификационные признаки ЦИП?

3 Какие технические характеристики ЦИП определяют их возможности?

4 Какова структурная схема ЦИП? Как выглядит векторная диаграмма ЦИП развертывающего и следящего типов?

5 Что такое операционный усилитель? Каковы его схема включения и передаточные характеристики?

6 Каковы назначение компаратора и его передаточные характеристики?

7 В чем состоит принцип работы ЦАП? Приведите его схему.

8 Каково назначение АЦП? Как выглядят структурные схемы параллельного, последовательного и параллельно-последовательного АЦП?