Некоторые полезные идеи
На рис. 4.94 показано несколько интересных и удачных схем, заимствованных в основном из технической документации фирм‑изготовителей.
Рис. 4.94. а – прецизионный источник тока с использованием полевого МОП‑транзистора;
Рис. 4.94. б – инвертирующий усилитель с ломаной характеристикой; коэффициент усиления К увеличивается для входных сигналов, превышающих пороговое значение; в формулах пороговых значений предполагается, что Uдиод = 0; пороговое напряжение должно быть > 0,5 В;
Рис. 4.94. в – аналогично б, но коэффициент усиления уменьшается для выходных напряжений выше порогового значения;
Рис. 4.94. г – аналогично в, но с компаратором и переключателем; работает как «совершенный» диод (U д = 0);
Рис. 4.94. д – благодаря дополнительным ОУ выходной ток увеличен; следите, чтобы не было перегрева;
Рис. 4.94. е – токовый монитор;
Рис. 4.94. ж – прецизионная схема, поглощающая ток;
Рис. 4.94. з – пиковый детектор для отрицательных импульсов;
Рис. 4.94. и – схема с переменным коэффициентом усиления;
Рис. 4.94. к – усилитель с фотодиодом;
Рис. 4.94. л – схема управления током;
Рис. 4.94. м – прецизионный биполярный источник тока;
Рис. 4.94. н – активный соленоид;
Рис. 4.94. о – оригинальный повторитель на полевом транзисторе с 3 выводами;
Рис. 4.94. п – логарифмический преобразователь с температурной компенсацией;
Рис. 4.94. р – высоковольтная (мостовая) схема для плавающей нагрузки;
Рис. 4.94. с – сервоусилитель 0,2 А;
Рис. 4.94. т – логарифмический преобразователь с широким входным диапазоном и автоматическим обнулением на основе усилителя прерывателя;
Рис. 4.94. у – источник тока;
Рис. 4.94. ф – быстродействующий логарифмический преобразователь;
Рис. 4.94. х – усилитель с переменным усилением с небольшими искажениями;
Рис. 4.94. ц – биполярный прецизионный ограничитель;
Рис. 4.94. ч – высоковольтный ОУ с низким уровнем шума (техническая документация PMI, примеч. по использованию 106);
Рис. 4.94. ш – получение удвоенного выходного сигнала в схеме на основе сдвоенного ОУ;
Рис. 4.94. щ – быстро действующий пиковый детектор;
Рис. 4.94. э – усилитель для наушников со слабым искажением (техническая документация PMI, примеч. по использованию 106);
Рис. 4.94. ю – детектор нуля с одним источником питания;
Рис. 4.94. я – источник тока Хауленда для управляющих схем преобразования напряжений в ток (от 1 мкА до 1 мА);
Рис. 4.94. А ‑ управляемый напряжением усилитель‑преобразователь с линеаризованной характеристикой;
Рис. 4.94. Б – управляемый напряжением (переменного тока) нагрузочный резистор;
Рис. 4.94. В – управляемый напряжением генератор на основе усилителя‑преобразователя.
Негодные схемы
На рис. 4.95 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 ± 15 В; если используются другие напряжения питания, то они указаны на схемах.
Рис. 4.95. а – регулируемый ограничитель;
Рис. 4.95. б – выходной каскад на ОУ для усилителя звуковых частот со 100‑кратным усилением;
Рис. 4.95. в – генератор треугольного сигнала;
Рис. 4.95. г – источник тока (программируемый напряжением);
Рис. 4.95. д – источник тока на 200 мА;
Рис. 4.95. е – усилитель постоянного тока (100‑кратный);
Рис. 4.95. ж – усилитель звуковых частот со 100‑кратным усилением и однополярным питанием;
Рис. 4.95. з – стабилизатор на 15 В;
Рис. 4.95. и – операционный усилитель в качестве стабилизатора +15 В;
Рис. 4.95. к – триггер Шмитта;
Рис. 4.95. л – 10‑кратный усилитель со связями по переменному току;
Рис. 4.95. м – усилитель постоянного тока с перестраиваемым усилением (х10‑x100);
Рис. 4.95. н – детектор нуля;
Рис. 4.95. о – операционные усилители с переключателями;
Рис. 4.95. п – управление коэффициентом коэффициентом усиления с помощью полевого транзистора;
Рис. 4.95. р – источник тока;
Рис. 4.95. с – интегратор со сбросом.
Дополнительные упражнения
(1) Разработайте схему «чувствительного вольтметра». Он должен иметь Ζ вх = 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) I = 25 пА (типичное значение для ОУ типа 411) и (б) Iсм = 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 ОР‑27 (имеет низкий уровень шумов, рекомендуется для использования в усилителях звуковых частот). Усилитель должен иметь следующие характеристики: К = 20 дБ, Ζ вх = 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 411. 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 +15 В).
(4) Усилители мощности звуковых частот El Cheapo на верхних частотах возбуждаются из‑за начинающегося с частоты 2 кГц (точка +3 дБ на характеристике) нарастания усиления +6 дБ/октава. Разработайте простой RС‑фильтр, который можно было бы включить между предусилителем и усилителем для компенсации возбуждения. При необходимости RC‑фильтр можно построить на ОУ типа AD611 (еще одна интегральная схема, рекомендуемая для использования в звуковом диапазоне частот) Для предусилителя Ζ вых = 50 кОм, а для усилителя Ζ вх = 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 напряжение на входе, когда напряжение на выходе проходит через уровень 0 В? Предположите, что скорость нарастания составляет 0,5 В/мкс, а напряжение насыщения выхода равно +13 В.
(6) На рис. 4.92 дан пример схемы преобразователя отрицательного сопротивления, (а) Чему равно ее входное сопротивление? (б) Диапазон выходного напряжения ограничен значениями U + и U_ . Каков диапазон входного напряжения, в котором схема работает без насыщения?
(7) Представьте только что рассмотренную схему в виде эквивалентного «черного ящика» с двумя выводами (рис. 4.93). 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 наш взгляд, здесь помочь?)
Глава 5
