2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 3 1 СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРОВ ТОКА, УПРАВЛЯЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЕМ, НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ С ВЫХОДНЫМИ КАСКАДАМИ НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.............................................. 4 2 ГЕНЕРАТОРЫ ТРЕУГОЛЬНЫХ И ПИЛООБРАЗНЫХ ИМПУЛЬСОВ ...... 8 2.1 Основная схема генерирования линейно-нарастающего напряжения..... 8 2.2 Генератор напряжения треугольной формы ............................................... 9 2.3 Генератор напряжения пилообразной формы .......................................... 13 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 15 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................... 16 3 ВВЕДЕНИЕ Электронным генератором называют устройство для формирования незатухающих электрических колебаний различной формы, частоты и мощности. Очень часто генераторы выполняют на основе операционных усилителей. Операционный усилитель - это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и обычно один выход. Напряжение на выходе может превышать разность напряжений на входах в сотни или даже тысячи раз. Своё начало операционные усилители ведут от аналоговых компьютеров, где они применялись во многих линейных, нелинейных и частото-зависимых схемах. Параметры схем с операционными усилителями определяются только внешними компонентами, а так же небольшой температурной зависимостью или разбросом параметров при их производстве, что делает операционные усилители очень популярными элементами при конструировании электронных схем. Операционные усилители являются наиболее востребованными приборами среди современных электронных компонент, они находят своё применение в потребительской электронике, применяются индустрии и в научных приборах. Объектом исследования в работе выступают источники тока с управлением на базе линейных операционных усилителей, предметом – схемы данных источников тока. Цель работы состоит в изучении схем источников тока с управлением на базе линейных операционных усилителей. В задачи работы входит рассмотрение схем и принципов работы генераторов тока, управляемых напряжением, на операционных усилителях с выходными каскадами на биполярных и полевых транзисторах, а также генераторов треугольных и пилообразных импульсов. 4 1 СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРОВ ТОКА, УПРАВЛЯЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЕМ, НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ С ВЫХОДНЫМИ КАСКАДАМИ НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ Генераторы тока, изображённые на рисунке 1, (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) – представляют собой работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам. Рисунок 1 – Генераторы тока (слева – инвертирующий, справа - неинвертирующий) Ток через нагрузку с достаточно высокой точностью описывается формулой1 Iн U вх R1 При включении в качестве Rн конденсатора, приведённые схемы широким фронтом эксплуатируются в формирователях треугольного и пилообразного напряжений. В отдельных случаях существенным недостатком источников тока, изображённых на рисунке 1, является «плавающая», то есть не подключённая никаким боком к земле или питанию нагрузка. К тому же, по большей части, операционный усилитель не может обеспечить значительных величин токов, поступающих в нагрузку. Рассмотрим схемы источников тока на ОУ, не имеющих этих недостатков. Источники тока на операционных усилителях. Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными каскадами на биполярных и полевых транзисторах [электронный ресурс] // URL: https://vpayaem.ru/inf_curr1.html (дата обращения 20.04.19) 1 5 Как правило, для получения устойчивого положительного результата, к операционному усилителю присовокупляется дополнительный выходной каскад на биполярном или полевом транзисторе. На рисунке 2 приведены схемы генераторов тока на ОУ с выходными каскадами на биполярном, либо полевом транзисторе и нагрузкой, подключаемой к шине питания. Рисунок 2 – Схемы генераторов тока на ОУ с выходными каскадами на биполярном, либо полевом транзисторе и нагрузкой, подключаемой к шине питания Пренебрегая входным током ОУ и конечным коэффициентом усиления транзистора, выходной ток составит всё ту же величину Iн U вх R1 На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом2 Iн U вх R11 Это обуславливает некоторую нестабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки за счёт проявления эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на величину коэффициента передачи тока транзистора). Источники тока на операционных усилителях. Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными каскадами на биполярных и полевых транзисторах [электронный ресурс] // URL: https://vpayaem.ru/inf_curr1.html (дата обращения 20.04.19) 2 6 Проявления этой нестабильности можно уменьшить, если в качестве биполярного транзистора использовать составной транзистор, либо применяя полевой транзистор. Особенность схем источников тока, показанных на рисунке 3, состоит в том, что нагрузка подключается к шине питания. Рисунок 3 – Источники тока с заземленной нагрузкой На рисунке 3 приведены источники тока с заземлённой нагрузкой. Выходной ток здесь описывается уже несколько другой формулой: Iн Е П U вх R1 Подобная зависимость выходного тока от управляющего напряжения не всегда удобна в практических разработках, поэтому для устранения этого недостатка к схеме можно присовокупить дополнительный преобразователь уровня (рисунок 4)3. Рисунок 4 – Схема с дополнительным преобразователем уровня Источники тока на операционных усилителях. Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными каскадами на биполярных и полевых транзисторах [электронный ресурс] // URL: https://vpayaem.ru/inf_curr1.html (дата обращения 20.04.19) 3 7 Здесь первый операционник с транзистором n-p-n структуры служит для преобразования уровня входного управляющего напряжения U вх в значение Eп U вх . Rпр1 и Rпр 2 , как правило, выбираются одного номинала, величина которого рассчитывается, исходя из входного сопротивления второго ОУ, а также из соображений приемлемого быстродействия при работе источника тока в динамическом режиме (то есть при подаче на вход импульсного сигнала управления). Очевидно, зависимости I н что основная цель состоит в получении удобной U вх , а для повышения выходного сопротивления источника R1 тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор4. Источники тока на операционных усилителях. Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными каскадами на биполярных и полевых транзисторах [электронный ресурс] // URL: https://vpayaem.ru/inf_curr1.html (дата обращения 20.04.19) 4 8 2 ГЕНЕРАТОРЫ ТРЕУГОЛЬНЫХ И ПИЛООБРАЗНЫХ ИМПУЛЬСОВ 2.1 Основная схема генерирования линейно-нарастающего напряжения Для понимания того как происходит формирование линейно- нарастающего напряжения вспомним как протекает переходный процесс в интегрирующих RC-цепях. Для этого изобразим схему заряда конденсатора некоторым током I (рисунок 5)5. Рисунок 5 – График заряда конденсатора Заряд Q конденсатора постоянным током I происходит за время t Q It В тоже время напряжение U C на конденсаторе емкостью С определяется величиной заряда Q накопленного в конденсаторе UC Q C Таким образом, напряжение U C на конденсаторе емкостью С, который заряжается током I будет определяться временем t UC I t C Так как значение емкости и тока постоянны, то напряжение, до которого зарядится конденсатор пропорционально времени, прошедшего с момента замыкания ключа. Таким образом, напряжение на конденсаторе UС фактически является суммой напряжений за весь период t. Такое суммирование называется интегрированием, а схема, которая выполняет такую операцию, называется интегратором. Генераторы треугольных импульсов на ОУ [электронный ресурс] // URL: https://www.electronicsblog.ru/usilitelnaya-sxemotexnika/generatory-treugolnyx-impulsov-na-ou.html (дата обращения 20.04.19) 5 9 Интегратор на ОУ показан на рисунке 6/ Рисунок 6 – Схема интегратора на операционном усилителе. В данной схеме зарядный ток I конденсатора С1 определяется входным напряжением U ВХ и резистором R1, тогда выходное напряжение будет вычисляться по следующей формуле U ВЫХ U ВХ t К1C1 Знак «–» в выражении показывает то, что входной сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ. Описанный здесь интегратор, имеющий на выходе линейно- изменяющуюся форму напряжения, является основой для построения генераторов треугольного и пилообразного напряжений. 2.2 Генератор напряжения треугольной формы Наиболее простой способ получения треугольных импульсов является схема содержащая триггер Шмитта и интегратор, причём выход триггера соединён с входом интегратора, а выход интегратора с входом триггера Шмитта. Несмотря на свою простоту, схема позволяет получить хорошие треугольные импульсы (рисунок 7)6. Генераторы треугольных импульсов на ОУ [электронный ресурс] // URL: https://www.electronicsblog.ru/usilitelnaya-sxemotexnika/generatory-treugolnyx-impulsov-na-ou.html (дата обращения 20.04.19) 6 10 Рисунок 7 – Генератор напряжения треугольной формы. Данный генератор треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта на ОУ DA1 и резисторах R1, R2 и R3, а также интегратора на ОУ DA2 и резисторах R4, R5 и конденсатора С1. Треугольные импульсы снимают с вывода «UВЫХ 2», кроме того с вывода «UВЫХ 1» можно снимать прямоугольные импульсы. Резисторы R3 и R5 служат для компенсации напряжения смещения ОУ и в случае, когда нет необходимости в сильной симметрии импульсов их можно заменить перемычками. Для понимания принципа работы генератора треугольных импульсов рассмотрим график напряжений на его выводах UВЫХ 1 и UВЫХ 2 (рисунок 8)7. Генераторы треугольных импульсов на ОУ [электронный ресурс] // URL: https://www.electronicsblog.ru/usilitelnaya-sxemotexnika/generatory-treugolnyx-impulsov-na-ou.html (дата обращения 20.04.19) 7 11 Рисунок 8 – Графики выходных напряжений генератора треугольных импульсов: на выходе триггера Шмитта (верхний) и на выходе интегратора (нижний). Допустим после подачи напряжения питания в схему на выходе триггера Шмитта (DA1) установилось напряжение положительного насыщения ОУ UНАС+, тогда конденсатор С1 начинает заряжаться, а на выходе интегратора (DA2) напряжение начинает соответственно линейно падать. Так как выход интегратора и вход триггера объединены, то при достижении линейно-падающего напряжения уровня нижнего напряжения переключения триггера UНП, то произойдёт переброс напряжения на его выходе до напряжения отрицательного насыщения ОУ UНАС-, а коденсатор С1 начнёт разряжаться8. Генераторы треугольных импульсов на ОУ [электронный ресурс] // URL: https://www.electronicsblog.ru/usilitelnaya-sxemotexnika/generatory-treugolnyx-impulsov-na-ou.html (дата обращения 20.04.19) 8 12 По мере разряда конденсатора напряжение на выходе интегратора начнёт линейно расти до уровня напряжения верхнего переключения триггера Шмитта UВП, после достижения, которого выход триггера переключится до уровня напряжение положительного насыщения ОУ U НАС+ и цикл зарядки – разрядки конденсатора С1, а следовательно и треугольного напряжения повторится. Из выше сказанного можно сделать вывод, что амплитуда выходного треугольного напряжения, которое можно снимать с выхода ОУ DA2 ( U ВЫХ 2 ) будет равна величине гистерезиса триггера Шмитта9 U ВЫХ 2 R1U НАС U НАС R1 R2 Таким образом регулируя величину гистерезиса триггера можно увеличивать или уменьшать амплитуду выходных импульсов треугольного напряжения. Длительность треугольно импульса состоит из двух периодов: периода нарастания длительностью tН и периода спада напряжения длительностью tС. Длительность этих периодов определяется следующими выражениями tН U ВП R 4C1 U НАС tC U НН R 4C1 U НАС Как известно пороговые уровни триггера Шмитта при опорном напряжении равном нулю ( U ОП = 0 В) определяются следующими выражениями U ВП R2 U НАС R2 R3 U НП R2 U НАС R2 R3 Генераторы треугольных импульсов на ОУ [электронный ресурс] // URL: https://www.electronicsblog.ru/usilitelnaya-sxemotexnika/generatory-treugolnyx-impulsov-na-ou.html (дата обращения 20.04.19) 9 13 Тогда после несложных преобразований и замен получим выражение для длительности и частоты треугольного напряжения T t Н tC f Изменение осуществляется с R2 4 R1 R 4 C1 1 4 R1 R 4 C1 T R2 частоты следования помощью резистора треугольных R4 (точная импульсов регулировка) и конденсатора C1 (грубо), хотя длительность импульсов также зависит от величины сопротивления резистора R4. Стоит заметить, что максимальная частота следования импульсов ограничена параметрами ОУ, в частности скоростью нарастания выходного напряжения ОУ DA2 (интегратор) и максимальным выходным током ОУ DA1 (триггер Шмитта). 2.3 Генератор напряжения пилообразной формы Генератор треугольного напряжения, выполненный по предыдущей схеме, легко преобразуется в генератор пилообразного напряжения. Для этого достаточно обеспечить разную длительность заряда и разряда конденсатора в схеме интегратора. Такие изменения показаны на рисунке 910. Рисунок 9 – Генератор колебаний пилообразной формы. Как нетрудно заметить внесённые изменения касаются цепи зарядаразряда конденсатора С1 в интеграторе. Диоды VD1 и VD2 позволяют выполнять заряд-разряд конденсатора разными токами. При изображённой на Генераторы треугольных импульсов на ОУ [электронный ресурс] // URL: https://www.electronicsblog.ru/usilitelnaya-sxemotexnika/generatory-treugolnyx-impulsov-na-ou.html (дата обращения 20.04.19) 10 14 схеме полярности включения диодов длительность разряда конденсатора С1, а, следовательно, и длительность линейно-возрастающего напряжения определяется величиной сопротивления резистора R4’, а длительность заряда С1 и линейно падающего сигнала на выходе интегратора – сопротивлением R4” по следующим формулам tН R2 2 R1 R 4'C1 tC R2 2 R1 R 4' 'C1 Все остальные аспекты работы схемы аналогичны предыдущей. Так как схема не является симметричной то резистор R5 можно удалить. Частота выходного пилообразного напряжения будет определяться суммой резисторов R4’ и R4”. Стабильность частоты в данной схеме будет ограниченна температурной нестабильностью диодов VD1 и VD211 f 1 4 R1 R 4' R 4' ' C1 . tC t H R2 Генераторы треугольных импульсов на ОУ [электронный ресурс] // URL: https://www.electronicsblog.ru/usilitelnaya-sxemotexnika/generatory-treugolnyx-impulsov-na-ou.html (дата обращения 20.04.19) 11 15 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Из рассмотренного в настоящей работе можно сделать следующие выводы: 1) для получения устойчивого положительного результата, к операционному усилителю присовокупляется дополнительный выходной каскад на биполярном или полевом транзисторе; 2) особенность схем источников тока с заземленной нагрузкой состоит в том, что нагрузка подключается к шине питания; 3) напряжение напряжений за весь на конденсаторе период t. фактически Такое является суммирование суммой называется интегрированием, а схема, которая выполняет такую операцию, называется интегратором; 4) наиболее простой способ получения треугольных импульсов является схема содержащая триггер Шмитта и интегратор, причём выход триггера соединён с входом интегратора, а выход интегратора с входом триггера Шмитта; 5) регулируя величину гистерезиса триггера можно увеличивать или уменьшать амплитуду выходных импульсов треугольного напряжения; 6) генератор треугольного напряжения легко преобразуется в генератор пилообразного напряжения. Для этого достаточно обеспечить разную длительность заряда и разряда конденсатора в схеме интегратора. 16 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Генераторы на основе операционных усилителей [электронный ресурс] // URL: https://helpiks.org/6-65645.html (дата обращения 20.04.19) 2. Генераторы треугольных импульсов на ОУ [электронный ресурс] // URL: https://www.electronicsblog.ru/usilitelnaya-sxemotexnika/generatorytreugolnyx-impulsov-na-ou.html (дата обращения 20.04.19) 3. Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 512 с. 4. Источники тока на операционных усилителях. Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными каскадами на биполярных и полевых транзисторах [электронный ресурс] // URL: https://vpayaem.ru/inf_curr1.html (дата обращения 20.04.19) 5. Операционные усилители [электронный ресурс] // URL: http://zpostbox.ru/operatsionny_usilitel.html (дата обращения 20.04.19) 6. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 216 с.
