Под узлами на основе ОУ понимаются любые схемотехнические решения, обеспечивающие выполнение тех или иных задач по обработке сигналов. ОУ — это прежде всего “решающий/операционный” усилитель, в задачу которого входит обработка по заданной функции входных сигналов и получение требуемых выходных.
Классы узлов, которые мы попробуем максимально подробно рассмотреть в этой статье:
— усилители постоянного тока;
— усилители переменного тока;
— функциональные преобразователи (нелинейные схемы);
— генераторы;
— модуляторы и демодуляторы;
— источники опорного напряжения;
— источники питания (линейные и импульсные);
— преобразователи вида сигналов (DC-AC; AC-DC; смесители, умножители).
Какой либо последовательности в описании узлов не будет — как пойдет по возможностям и времени.
Напоминаем, что ОУ LM324 — это весьма посредственный ОУ по сумме параметров и, вместе с тем, мы будем пробовать «вытащить» из схем на его основе максимальное качество.
Источник тока, однополярный
Во многих случаях, простейшие источники тока (ИТ) не обеспечивают хороших точностных характеристик даже на уровне (1..2)%. Кроме того, часто требуется электронное и точное управление током от задатчика тока (микроконтроллер, к примеру).
Предлагается следующая схема прецизионного ИТ (можно и даже нужно заменить биполяры на полевые, но это показательная схема).
Параметры схемы:
— напряжение питания нагрузки: VCC <= 25 (28) V (ограничено LM324);
— однополярное питание ОУ: VP = 30 V;
— максимальный ток ИТ: Imax = 100 mA;
— максимальное напряжение управления: Vdc = 5 V;
— крутизна преобразования ИТ: S = 20 mA/V;
— абсолютная погрешность задания тока: dI <= ± 25 uA;
— диапазон сопротивлений нагрузки, при котором обеспечивается указанная погрешность: RL = 0..140 Ohm;
— температурный диапазон с сохранением указанной погрешности: минус 20..+70 C;
График изменения абсолютной погрешности dI [uA] в зависимости от сопротивления нагрузки RL = 0..140 Ohm и при крайних температурах 0 С и 50 С в диапазоне управляющего напряжения Vdc = 0..5 V.
Пояснения к схеме.
Схема состоит из двух, последовательно включенных ИТ.
Первый ИТ выполнен на DA1 и VT1 и обеспечивает ток через сопротивление нагрузки R3 около 5 mA. Резисторы R3 (a,b,c) — это подстройка коэффициента передачи для компенсации всяких разбалансов и выполняется на основе главного постоянного резистора и вспомогательного подстроечного многооборотного.
Основная функция первого каскада — обеспечить стабильный ток и перевести управляющее напряжение для второго каскада относительно VCC, как общего.
Второй каскад (DA2, VT2, VT3) — основной и мощный, для него применено включение двух транзисторов по схеме Дарлингтона. Максимальная мощность, рассеиваемая на VT3 доходит до 2 W. В зависимости от напряжения питания VCC, требуется подстройка R5 для обеспечения минимальной погрешности. Обычно это делается однократно, поскольку VCC постоянно, как правило.
Резистор R7a, R7b — это токо-задающий резистор для второго каскада. В некоторых случаях может потребоваться его подстройка, поэтому он выполнен в виде двух резисторов.
Сравнение АЧХ двух структур усилителей на основе ОУ
В основной статье было показано на расчетах и примерах, что расширение полосы полосы пропускания одиночного ОУ возможно только путем каскадирования схемы из нескольких ОУ.
Однако, есть еще одна структура из двух ОУ, на которую возлагаются большие надежды на улучшение суммарных характеристик.
Называется структура из двух ОУ: «композитный» или «составной» ОУ.
Да, все так, но — есть небольшое исключение.
Такая структура создавалась для того, чтобы из двух разных по качествам ОУ создать составной ОУ, в котором бы сочетались лучшие параметры каждого из ОУ.
Например: входной ОУ — прецизионный, с FET транзисторами на входе, с высоким входным сопротивлением. Второй ОУ — высоковольтный, с мощным токовым выходом. Да, такая связка работает и хорошо работает.
Однако, если попытаться из двух одинаковых ОУ составить составную схему — что мы получим? Все параметры — одинаковы. Все, на что можно рассчитывать — расширение полосы пропускания. Но, так ли это? Увы – не так и это докажем симуляцией двух структур на одинаковых ОУ LM324.
Очевидно, что каскадная структура имеет большие возможности по настройке АЧХ (значения конденсаторов физически реализуемы).
В составной структуре — все очень неоднозначно и корректирующий конденсатор имеет очень малое значение, сравнимое с паразитными емкостями монтажа.
ОУ — как компаратор
Скажем сразу — эта затея не очень хорошая, т.к. типовой ОУ плохо работает в переключательном режиме, когда выходной каскад входит в насыщение.
Тем не менее, в любительских конструкциях такие решения используются.
Компаратор — это электронное устройство, сравнивающее два сигнала, поступающие на два входа его входа (P и N) и выдающее сигнал высокого (H) или низкого (L) уровня в зависимости от того, какой из сигналов больше или меньше другого.
Из определения компаратора очевидно, что дифференциальный усилитель, к которому относятся любые операционные усилители, может являться компаратором.
Что же не так с ОУ, что признание его компаратором наталкивается на трудности?
Прежде всего — это тот факт, что схемотехника ОУ строится на принципе максимальной линейности обработки входных сигналов. При этом, к сожалению, возникают неприятности, связанные с ограниченной скоростью нарастания выходного сигнала и перехода ОУ в насыщение, когда обратная связь уже не действует.
Для начала, изучим схему “компаратора” на основе неинвертирующего усилителя с принудительно заданным коэффициентом усиления Ku = 10.
Передаточная характеристика на DC:
Да, при Ku=10 и при уровне входного сигнала Uin = 2 [V], эта схема работает как компаратор, переводя выходной сигнал в насыщение с уровнями минус 15 [V] и плюс 13 [V].
А, в промежутке, между Uin = +/- 1.5 [V] — это обычный линейный усилитель, а не компаратор.
Что нужно сделать, чтобы сузить зону компарирования? Выход только один — увеличение коэффициента усиления схемы на ОУ.
Увеличиваем усиление до Ku = 1000:
Передаточная характеристика при Ku = 1000:
Как видим, зона переключения составляет уже +/- 14 [mV].
Плохо это или хорошо? Все зависит от задачи. При условно DC-сигнале — это нормальный компаратор. А, вот если входной сигнал синусоидальный с относительно высокой частотой для данного ОУ или, что хуже, прямоугольный?
Почему прямоугольный сигнал хуже, чем синусоидальный?
Придется обращаться к такому параметру ОУ, как максимальная скорость нарастания выходного напряжения (Slew Rate). Этот параметр обязательно приводится в даташите на любой ОУ. Для ОУ LM324: SR = 0.5 [V/us].
Параметр SR означает, что при подаче на вход идеального прямоугольного сигнала, сигнал на выходе достигнет уровня Uout = 10 [V] через T = Uout/SR = 10/0.5 = 20 [us].
При симуляции с моделью LM324 уровень Uout = 10 [V] достигнут через 24 [us], что близко к теоретическому значению 20 [us].
Работа “компаратора” при условии не насыщения ОУ.
Для этого эксперимента выберем уровень входного сигнала Uin = 5 [mV], что при Ku = 1000 обеспечит работу ОУ в условно переключательном режиме при выходном уровне TTL Uout <= 5 [V] и без насыщения.
Увы и ах.. Более-менее прямоугольный характер выходного сигнала наблюдается при частоте входного сигнала Fin <= 300 [Hz].
На графике рис.3 сигнал с Fin = 100 [Hz].
Преобразование «ток-напряжение»
Для передачи аналоговых сигналов по двухпроводной линии на некоторое расстояние существует много разных методов — от передачи напряжения и до тех или иных способов модуляции.
Передача напряжения — это не самый лучший способ, т.к. влияют помехи, длина провода (импеданс) и проблемы с передачей сигналов вблизи нуля тоже из-за помех. Обычно дальность передачи ограничивается 30 м и полоса пропускания до 1 MHz.
Однако, давно был придуман способ передачи аналогового сигнала – током, причем несимметричным, например 4..20 mA. Многие протоколы передачи данных были основаны на таком физическом способе
Основные преимущества:
— низкий импеданс линии связи и нагрузки;
— минимальный сигнал смещен значительно выше нуля.
Для токовой передачи характерны дальности до 300 м, но и полоса до десятков kHz.
Рассмотрим классическую схему преобразователя «ток-напряжение».
Это схема RX — приемник.
В данной схеме использован ОУ LM324. Для улучшения точностных показателей могут использоваться иные ОУ.
Частотная характеристика.
Как видим, по уровню -3 dB частота среза составляет 85 kHz, что достаточно для передачи звукового сигнала.
6. Преобразование «напряжение-ток».
Рассмотрим классическую схему преобразователя «напряжение-ток».
Это схема TX — передатчик.
Для данной схемы выбор ОУ LM324 — не лучший выбор. Почему?
По условию максимальный выходной ток равен 20 mA, а при таком токе возникает нелинейность выходного напряжения от входного в конце диапазона. Если Imin еще можно поправить до 4.00 mA, то нелинейность на предельном токе— это данность.
Выход есть — использовать буферный каскад на ОУ или транзисторах, которые смогут обеспечить ток более 25-30 mA.
Частотная характеристика.
АЧХ преобразователя представлена на графике при C1 = 100 pF:
Как видим, частота среза по уровню -3 dB составляет 106 kHz. Для большинства применений в диапазоне звуковых частот — этого достаточно. Если нужна более высокая частота среза, то надо выбирать более высокочастотный ОУ. Продолжение темы про 324.
