6.2. ЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Электронные усилители, имеющие малые входное и выходное сопротивления, называются преобразователями ток - напряжение . Для них входным сигналом служит ток, а выходным — напряжение.

Рис. 6.8. Простейший преобразователь ток напряжение (а); ПТН с улучшенными характеристиками (б)

Схема простейшего ПТН приведена на рис. 6.8. От усилителя рис. 6.2 а он отличается тем, что у него резистор равен нулю. В соответствии с § 5.6 его входное сопротивление определяется включенными параллельно входным сопротивлением ОУ и сопротивлением R, уменьшенным в :

Если , то входной ток полностью протекает через сопротивление и создает на нем падение напряжения :

При большом , а соответственно при малом сигнале между входами усилителя, выходное напряжение близко к напряжению :

Данный ПТН плохо работает при малом внутреннем сопротивлении источника входного тока, действие которого аналогично влиянию резистора в схеме рис. 6.2, а. При малом усилитель имеет большой коэффициент усиления по напряжению , а соответственно большое смещение нуля выходного напряжения, равное , причем это напряжение существенно меняется при изменениях внутреннего сопротивления у источника входного сигнала. При наличии у него реактивной составляющей возникают сложности с обеспечением устойчивости.

От этих недостатков частично свободен ПТН рис. 6.8. б. В нем ОУ , непосредственно выполняющий функцию ПТН, имеет большое сопротивление , такого же порядка что и .

Потому даже при нулевом сопротивлении источника входного сигнала смещение выходного напряжения не превышает значения — , которое невелико.

Усилители обеспечивают уменьшение входного сопротивления, определяемого резистором . Для доказательства этого запишем уравнения, характеризующие схему:

Подставив в (6.32) уравнения (6.33), (6.34), получим

Из (6.35) видно, что входное сопротивление ПТН, определяемое резистором , существенно снижается. Оно тем меньше, чем больше коэффициенты усиления ОУ , зависящие от номиналов резисторов . Влияние напряжений смещения нуля ОУ в этой схеме невелико, гак как даже при коротком замыкании входных зажимов коэффициенты усиления по напряжению ОУ меняются значительно меньше, чем в случае простейшего ОУ.

Преобразователи напряжение — ток (ПНТ) имеют большие входное и выходное сопротивления. Их выполняют на основе одной из схем рис. 6.9. Малое изменение выходного тока при подключении различных сопротивлений нагрузки получают за счет подключения сопротивления нагрузки к участку цепи или выходному каскаду с большим собственным выходным сопротивлением; за счет увеличения выходного напряжения на значение, равное падению напряжения на нагрузке; за счет использования ОС, сигнал которой снимается «по току».

ПНТ, имеющие собственное высокое выходное сопротивление, приведены на рис. 6.9, а, б. Схему рис. 6.9, а применяют тогда когда нагрузка гальванически не связана с землей. Ее работа основана на использовании равенства токов, подходящих и уходящих от инвертирующего входа ОУ . Поэтому ток в нагрузке задается резистором :

Погрешности ПНТ легко оценить с помощью эквивалентной схемы данного включения ОУ (см. рис. 5.18, в).

Рис. 6.9. Преобразователи напряжение — ток: а — с нагрузкой, гальванически изолированной земли; б, в - с высокоомными выходными каскадами

При построении схемы рис. 6.9, б использовано высокое выходное сопротивление управляемых источников тока, собранных на транзисторах . Каждый из источников работает при определенной полярности входного напряжения. Их входные токи задаются транзисторами . Ток коллекторов этих транзисторов, в первом приближении равный току эмиттеров, определяют из уравнения

Если пренебречь неидеальностью ОУ и управляемых источников тока, то выходной ток

При применении данной схемы не возникает проблем с обеспечением устойчивости. Выходное сопротивление ПНТ близко к . Изменение сопротивления нагрузки не приводит к появлению дополнительных фазовых сдвигов. Однако из-за неидеальности управляемых источников тока потенциал выходного вывода имеет неопределенное значение при . Схема ПТН рис. 6.9, в по принципу действия и свойствам близка к схеме рис. 6.9, б. Эффективность ее зависит от того, насколько хорошо подобраны транзисторы VT1 — VT3 и резисторы R2.

При полной идентичности параметров токи нагрузок определяют из уравнения (6.39). Идея увеличения выходного напряжения на величину падения напряжения в нагрузке реализована в схеме рис. 6.10, а. При ток нагрузки

Если , то на нем падает напряжение и выходное напряжение усилителя необходимо увеличить на это значение. Это справедливо и для предельного случая, когда и выходное напряжение усилителя равно . Следовательно, параметры резисторов можно определить из условия получения единичного усиления напряжения (Увых при :

(6.41)

Из (6.41) вытекает условие, которое должно выполняться при использовании схемы в качестве ПТН:

Уравнение (6.42) справедливо и для случая, когда входное напряжение подается на неинвертирующий вход (подключается к резистору , оторванному от общей шины). При этом резистор R1 соединяется с общей шиной. Так как коэффициент передачи усилителя при подаче напряжения на инвертирующий вход не равен коэффициенту усиления, который имеет место при его подаче на неинвертирующий вход, то ток

Данный ПТН хорошо поддерживает значение тока нагрузки, но фаза тока существенно меняется при изменении . Это объясняется тем, что глубина положительной ОС, осуществляемой через резисторы , зависит от значения . Ее изменение приводит к изменению амплитудных и фазовых частотных характеристик ОУ, а следовательно, к изменениям фазы выходного тока.

ПТН, сигналы обратной связи в которых пропорциональны току нагрузки, приведены на рис. 6.10, б, в. В обоих случаях ОУ усиливает разность входного напряжения и сигналы ОС. Если коэффициент усиления данного ОУ достаточно большой, то эта разность сигналов стремится к нулю. В схеме рис. 6.10, б обратная связь введена последовательно с входным напряжением. Ее сигнал создан падением напряжения на резисторе R, равным . Так как при , то

Рис. 6.10. Преобразователи напряжение - ток с обратной связью по току

В схеме рис. 6.10, в входной сигнал и сигнал ОС вводятся параллельно на вход ОУ , для которого справедливо уравнение . Ток ОС пропорционален падению напряжения, созданному током нагрузки на резисторе . Оно выделяется с помощью дифференциального усилителя , имеющего единичный коэффициент усиления

Так как , то

ОУ введен для уменьшения шунтирующего действия сопротивления инвертирующего входа ОУ .

ПТН широко применяют при необходимости передавать сигналы на большие расстояния, когда нестабильное сопротивление линии связи может вызвать существенные погрешности передачи сигналов. Их также часто используют при построении измерительных устройств и отдельных функциональных узлов.

Конверторами сопротивления

называются электронные устройства, при включении которых в электрическую цепь создается эффект определенного целенаправленного изменения (конверсии) ее сопротивления.

Различают конверторы положительного (КПС) и отрицательного (КОС) сопротивлений.

Рис. 6.11. Конвертор отрицательного сопротивления

Под КПС понимают четырехполюсник, который «преобразует» импеданс сопротивления (), подключенного к одной паре выводов, в импеданс у другой пары выводов, где — коэффициент пропорциональности. КОС отличается от только знаком коэффициента пропорциональности . За этими определениями скрывается тот факт, что введение последовательно с каким-либо сопротивлением ZH дополнительного источника напряжения (КПСН, КОСН) или включение параллельно с дополнительного источника тока (КПСТ, КОСТ) приводит к изменению значения этого сопротивления с точки зрения соотношения между приложенным к нему напряжением и протекающим током. При этом дополнительные источники напряжения и тока должны давать напряжение и ток соответствующей частоты, фазы и формы. Так как с помощью дополнительных генераторов получить полную идентичность сигналов трудно, в качестве КПС и КОС используются различные усилители или ПТН, ПНТ, вход которых подключают к одному участку цепи, а выход включают в тот участок, сопротивление которого хотят изменить.

КПС уже рассмотрели ранее. Было показано, что в схемах рис. 5.27, а емкость С и резистор для входного напряжения выступают как компоненты, значения которых соответственно равны . Тем самым выполнена операция конверсии сопротивления конденсатора С, включенного в один участок схемы, в сопротивление другого участка, где , или конверсии резистора .

Так как конверсия осуществляется путем введения дополнительного напряжения, в раз большего входного и противоположного ему по знаку, то в данном случае используется КПС по напряжению (КПСН). Можно также реализовать КПС, в котором дополнительный сигнал вводится в форме тока — КПС по току (КПСТ).

Конверторы положительного сопротивления в основном применяют для увеличения значений емкостей, резисторов или индуктивностей.

Идею работы конвертора отрицательного сопротивления рассмотрим на примере схемы рис. 6.11. По существу, это ОУ, охваченный отрицательной и положительной ОС, осуществляемой чем резисторы R.

Если ОУ считать идеализированным , то справедливы уравнения

Подставив (6.47) в (6.48) и (6.48) в (6.49), получим

Следовательно, при подаче на инвертирующий вход напряжения , равного напряжению , создающего ток , цепь ведет себя как отрицательное сопротивление, равное

В данном случае что чаще всего и пытаются получить. Свойства цепи сохраняются, если ее входы будут изменены местами. КОС устойчиво работает только тогда, когда глубина отрицательной ОС больше, чем положительной (коэффициенты ОС соответственно равны . Следовательно, для обеспечения их работоспособности обязательно выполнение условия .

Тот же эффект наблюдается в том случае, если вместо резисторов установлены сопротивления Z. При этом возникают дополнительные трудности с обеспечением устойчивости.

КОС обычно применяют тогда, когда требуется скомпенсировать какое-либо сопротивление, например сопротивление линии связи при передаче сигнала на большие расстояния или активное сопротивление колебательного контура. Эффективность их резко падает при частотах, больших десятка , из-за дополнительных фазовых сдвигов и влияния паразитных емкостей.

Гираторами или инверторами положительного сопротивления

называются четырехполюсники, которые в одном направлении передают сигнал без изменения его фазы, а в другом — сдвигают ее на 180 (рис. 6.12. а). Символическое обозначение гиратора показано на рис. 6.12, о, а эквивалентная схема их реализации с помощью двух управляемых источников тока — на рис. 6.12, в. Из них видно, что различие правой и левой ветвей заключается только в направлении токов, создаваемых источниками токов, управляемыми напряжением соседней ветви. Свойства гиратора рассмотрим на примере схемы рис. 6.12, г, считая ОУ идеализированным.

Рис. 6.12. Структура гиратора (а), его символическое обозначение эквивалентная схема, поясняющая реализацию гиратора (в), и его принципиальная схема (г)

Для неинвертирующих входов можно записать уравнения

Для инвертирующих входов

Исключив и из этих уравнений, получим

Если к правому входу подключить резистор , то и в соответствии с (6.56)

Разделив U, на , получим

Таким образом, входное сопротивление левого входа обратно пропорционально сопротивлению, подключенному к правому входу.

Сопротивление называют сопротивлением тирании. Оно характеризует коэффициент преобразования сопротивления, подключенного к правому входу.

Если вместо резистора подключить конденсатор С, то сопротивление левого входа

Из (6.59) видно, что с точки зрения левого входа конденсатор, подключенный к правому входу, эквивалентен индуктивности . Это позволяет заменить громоздкие катушки индуктивности на гираторы, которые легко реализуются по интегральной технологии. Нужное значение индуктивности обеспечивается подключением навесного конденсатора требуемого номинала. Нетрудно получить значения индуктивностей, которые с помощью обычных катушек индуктивности реализовать затруднительно. Так, при индуктивность равна . Подключив к левому входу конденсатор, получим колебательный контур. Добротность гиратора Q обычно определяют при равных конденсаторах, подключенных к обоим входам. Она служит оценкой неидеальности реального устройства. Значения добротности колеблются от десятков до сотен единиц и меняются в зависимости от частоты сигнала. Гираторы целесообразно применять в диапазоне низких частот, как правило, ниже .

У микросхем гираторов типа находится в пределах кОм, .

Фазосдвигающими устройствами называются

устройства для коррекции сдвига фаз сигнала, получения напряжений, сдвинутых по фазе на определенный угол, для создания групп источников напряжений с определенными фазовыми соотношениями между собой, для фазового управления тиристорными устройствами. Их также широко применяют в составе фильтров и автогенераторов гармонических колебаний.

При создании фазосдвигающих устройств используют электрические цепи, содержащие конденсаторы или катушки индуктивности.

В простейших случаях применяют RС-цепи интегрирующего (рис. 6.13, а) и дифференцирующего (рис. 6.13, б) типов или их комбинации (рис. 6.13, в). Для цепей рис. 6.13, а, б коэффициенты передачи напряжения соответственно равны

где

Из (6.60) и (6.61) видно, что RС-цепь интегрирующего типа обеспечивает получение отставания по фазе выходного напряжения на угол а RС-цепь дифференцирующего типа — опережение по фазе на угол . Значения углов зависят от параметров R и С и могут меняться в пределах от до .

Рис. 6.13. Фазосдвигающие цепи на основе интегрирующей (f), дифференцирующей (б) RC-цепей и их комбинации (в); фазосдвигающая цепь, обеспечивающая получение постоянного модуля и фазового сдвига в пределах (г); ее круговая диаграмма (д); мостовая фазосдвигающая цепь (е)

При этом существенно меняется амплитуда выходного напряжения, определяемая модулем коэффициента передачи, поэтому реализация фазовых сдвигов, близких к 90°, с помощью подобных цепей затруднена.

От этого недостатка свободно фазосдвигающее устройство рис. 6.13, г. Как видно из круговой диаграммы рис. 6.13, д, у него модуль остается постоянным при любых значениях R и С, а фаза может меняться от нуля до . У этой цепи трансформатор выполняет роль двух одинаковых источников напряжения питания и может быть заменен одинаковыми резисторами.

Для получения необходимых фазовых сдвигов также широко применяют мостовые цепи различного вида, например двойные Т-образные мосты, мосты Вина или цепи, аналогичные рис. 6.13, е.

При использовании ОУ можно создать простые фазосдвигающие устройства, у которых фаза может быть изменена в пределах , а амплитуда выходного сигнала постоянна (рис. 6.14, а, б). Сигнал на неинвертирующем входе ОУ (рис. 6.14, а)

Так как у идеализированного ОУ , то ток резистора определяют из уравнения

Рис. 6.14. Фазосдвигающие устройства с постоянной амплитудой выходного напряжения: а фазовый сдвиг изменяется до : б фановый сдвиг изменяемся от 0 до

Откуда

Поставив (6.62) в (6.64) и выполнив преобразования, получим

Таким образом, коэффициент передачи по напряжению не зависит от значения сопротивления , а фаза выходного напряжения при изменении от нуля до бесконечности меняется в пределах 180°.

Аналогично рассмотренному получают уравнение для устройства рис. 6.14, б:

Для получения двух напряжений сдвинутых по фазе на 90° друг относительно друга, используют точные интегрирующие устройства (см. § 6.3). При этом амплитуда выходного сигнала уменьшается с увеличением частоты. Дифференцирующие устройства редко из-за значительно больших погрешностей сдвига фазы.

В тех случаях, когда необходимо в широкой полосе частот обеспечить получение точного -градусного фазового сдвига и при этом иметь неизменные амплитуды выходных напряжений, применяют двухканальные фазосдвигающие устройства. Их выполняют по идентичным схемам, состоящим из нескольких включенных последовательно простых устройств, например таких, которые приведены на рис. 6.14, б. Причем параметры каждого фазосдвигающего устройства выбирают так, чтобы на любой рабочей частоте фазовый сдвиг между напряжениями каналов был равен 90. Так, при применении в каждом канале трех последовательно включенных цепей (рис. 6.14, б) частоты на которых обеспечивается -градусный фазовый сдвиг у отдельных цепей, равны 206, 1675, 20060 Гц для одного канала; 49, 85. 597, 4853 Гц для другого.

При этом при неизменной амплитуде удается получить погрешность квадратуры напряжений, меньшую 1 - 2 в полосе частот 100 Гц — .