Експлуатація ОУ як підсилювач слабких сигналів увазі можливість і необхідність направлено змінювати його параметри, підлаштовуючи тим самим властивості технічного пристрою під потреби споживача. У цьому зв’язку досить актуальним питанням експлуатації ОУ була і залишається проблема регулювання його коефіцієнта передачі в певних межах і за заданим законом.

Рис. 6.1. Схема підсилювача на ОП з плавно змінним коефіцієнтом передачі

Варіанти способів регулювання коефіцієнта передачі і їх порівняльні характеристики в графічному поданні [6.1] наведені нижче.

Коефіцієнт передачі (підсилення) підсилювача на ОП, рис. 6.1 [6.2], можна визначити як

, Рис. 6.2.

х

Рис. 6.2. Характеристики підсилювача, рис. 6.1, при регулюванні потенціометра R1, x – частка потенціометра R 7

Рис. 6.3. Схема підсилювача на ОП з квадратично змінним коефіцієнтом передачі

Коефіцієнт передачі (підсилення) підсилювача на ОП, рис. 6.3, виконаного у вигляді двох последова-

тельно включених каскадів (рис. 6.1) зі здвоєним потенціометром

R1, можна визначити як:

Якщо включити послідовно кілька подібних каскадів, можна отримати підсилювач, вихідна напруга якого регулюється за законом

Рис. 6.4. Схема підсилювача на ОП зі статечним зміною коефіцієнта передачі

де п – кількість каскадів, рис. 6.4.

Регулювальні характеристики синхронно регульованих 2-х, 3-х, 5-й і 10-й каскадних підсилювачів показані на рис. 6.5.

Схема регулювання коефіцієнта передачі підсилювача на ОП, запропонована Вудвардом [6.3], показана на рис. 6.6. Коефіцієнт передачі

підсилювача визначається як К =

рис. 6.8.

X

Рис. 6.5. Регулювальні характеристики багатокаскадних (п-2; п = 3; п = 5; п = 70) синхронно регульованих підсилювачів, рис. 6.4

Коефіцієнт посилення підсилювача на ОП, рис. 6.7, можна визначити як:

Рис. 6.6. Схема підсилювача на ОП з регульованим коефіцієнтом посилення

Рис. 6.7. Варіант схеми включення регулятора посилення

Рис. 6.8. Характеристики підсилювача, рис. 6.7, при регулюванні потенціометра R3, х – частка потенціометра R3. R2 / R1:

1 — 10;2 — 5;3 — 2;4 — 1

Окремим випадком представленої на рис. 6.9 схеми є схема включення операційного підсилювача з резистивним дільником в колі зворотного зв’язку, рис. 6.7. Коефіцієнт передачі по модулю такого підсилювача визначається як:

Рис. 6.9. Схема включення операційного підсилювача з резистивним дільником в колі зворотного зв’язку

Рис. 6.10. Характеристики підсилювача, рис. 6.9, при використанні як R3 потенціометра, х – частка потенціометра R3, де R3:

1 – 10; 2 – 20; 3 – 33,3; 4 -50; 5-100 кОм

При варіюванні номіналів резисторів підсилювача, зокрема, при заміні резистора R3 на потенціометр, можна отримати серію характеристичних кривих, рис. 6.10 (R1 = R3; R2 = R4 = 100 кОм). При х-> Ю або при

R3-> 0 формула для визначення К застосовна, бо формально коефіцієнт передачі прямує до нескінченності;

Рис. 6.7 7. Схема підсилювача Грема із змінним коефіцієнтом посилення

В підсилювачі Грема, рис. 6.11 [6.4,

6.5], коефіцієнт посилення До при регулюванні потенціометра R1 змінюється в межах від -п до п:

Рис. 6.Ί2. Регулювальні характеристики підсилювача Грема, х – частка потенціометра R7

де х – частина (частка) опору потенціометра R1 між движком і загальною шиною.

За умовиі

Так, наприклад, при використанні як DA1 підсилювача LM741,

R1 = R2 = 10 кОму R3 = 11,11 кОму R4 = 100 Кому т. Е. При п-10, коефіцієнт передачі пристрою при крайніх положеннях движка потенціометра R1 становить 20 дБ (10 разів), а в його середньому положенні падає до -67 дБ (залежить від точності підбору елементів схеми і в ідеалі прагне до нуля), рис. 6.12.

Оскільки регулювальна крива підсилювача майже симетрична, потенціометр R1 можна розділити на два рівних за номіналом опору, одне з яких – змінне.

Примітка.

Слід враховувати унікальну особливість пристрою: у верхньому по схемі положенні движка потенціометра R1 підсилювачі не інвертує фазу вхідного сигналу, а в нижньому – інвертує.

Ця властивість підсилювача Грема можна використовувати для балансування протифазних сигналів у вимірювальній та перетворювальної техніки.

Коефіцієнт посилення неінвертуючий підсилювачів (рис. 6.13, 6.14) визначається як К = 1 + R2 / R1. Цей вираз справедливо за умови, що опір джерела сигналу прагне до нуля, вхідний опір операційного підсилювача і його коефіцієнт посилення при розімкнутої петлі зворотного зв’язку (т. е. граничний) – до нескінченності.

Відповідне вираз для инвертирующих підсилювачів, що відрізняються тільки включенням входів операційного підсилювача, запишеться так: К = -R2 / R1. Знак мінус означає зсув вихідного сигналу на 180 град.

Рис. 6.16. Варіант виконання підсилювача зі східчасто змінним коефіцієнтом передачі

Рис. 6.15. Варіант схеми включення операційного підсилювача з дискретно змінним коефіцієнтом передачі

Рис. 6.14. Варіант схеми неінвертуючий підсилювача з плавно регульованим коефіцієнтом посилення

Рис. 6,13, Схема неінвертуючий підсилювача з плавно регульованим коефіцієнтом посилення

Коефіцієнт передачі підсилювача на основі ОУ (рис. 6.15 і 6.16) можна східчасто змінювати, використовуючи багатопозиційний перемикач. Зазвичай цей коефіцієнт змінюють у співвідношенні 1: 10: 100 …, хоча можуть бути використані і інші співвідношення, наприклад, 1: 2: 4: 8 …

У схемі инвертирующего підсилювача Бича з варійованим коефіцієнтом посилення, рис. 6.17 [6.6], коефіцієнт передачі пристрою регулюють, змінюючи співвідношення між сигналами, які надходять на входи операційного підсилювача DA1.

Для реалізації підсилювача необхідно, щоб R1 = R3, R2 = R4, тоді / у = -R2 / Rl, точніше, KJ,C=-(R2-R4)/(R1+R4), RBX =(Rl+R3)/2.

Практично при R1 = R3 = 2 кОм, R2 = R4 = 200 кОм коефіцієнт передачі підсилювача на мікросхемі 741 змінюється в межах від 40 дБ (R4 = 0 кОм) до -40 дБ (R4 = 198 кОм) … -92 дБ ( R4 = 200 кОм), рис. 6.18. При R4 = 100 кОм коефіцієнт передачі пристрою близький до 1.

Регулювальний елемент у схемі підсилювача Бича можна включити по кілька видозміненим варіантом, рис. 6.19 [6.7]. У наведеній схемі перший каскад посилення, виконаний на мікросхемі DA1, забезпечує коефіцієнт посилення (R2 / R1 + 1) = 20. Номінали резисторів другого каскад, який, власне, і забезпечує регулювання коефіцієнта передачі в широкому діапазоні від позитивних до негативних значень, повинні відповідати наступним співвідношенням: R3 = R4 = R6 = R5 / 2 = R. Тоді коефіцієнт передачі каскаду можна визначити

як (1-R5 / R) / 2, а всього усіді- теля – 10 (1-R5 / R). Графік залежності коефіцієнта передачі підсилювача при зміні кута повороту движка потенціометра R5 наведено на рис. 6.20.

Рис. 6.17. Схема підсилювача Бича з регульованим коефіцієнтом передачі

Примітка.

Рис. 6.18. Регулювальні характеристики підсилювача Бича, х – частка потенціометра R4

Перевагою такого способу регулювання є строго лінійна залежність зміни коефіцієнта передачі від величини опору регулювального потенціометра.

Схему підсилювача Бича (рис. 6.21) можна використовувати і як аналогового ключа. Коефіцієнт передачі ключа у включеному його

стані дорівнює 1 (за умови R1 = R2 = R3 = R4), розмах вхідного сигналу не повинен перевищувати 1,2 В.

Вхідний опір ключа (і підсилювача, рис. 6.17) визначається як (Rl + R3) / 2.

Коли на вхід Uynp надходить рівень логічної одиниці (2,4-4 В), транзистор VT1 насичується і підключає резистор R4 до загальної шини, в результаті сигнал послаблюється на 70-90 дБ. Так, наприклад, при R1 = R2 = R3 = R4 = 100 кОм коефіцієнт ослаблення вхідного сигналу становить 70 дБ.

При надходженні на вхід Uynp рівня логічного нуля транзистор VT1 замикається, сигнал проходить на вихід підсилювача без втрат.

Коефіцієнт передачі підсилювача Ріттера, рис. 6.22 [6.8,6.9], можна визначити з виразу:

де х – частка опору R3, підключена до неінвертірующего входу ОУ.

На рис. 6.23 наведена залежність коефіцієнта передачі підсилювача Ріттера при регулюванні потенціометра R3: крива 1 – при R1 = R2 = 1 кОм, R3 = 10 кОм, R4 = 100 кОм; крива 2 – при R1 = R2 = R3 = R4 = 1 кОм.

Спрощений варіант схеми Ріттера, представлений на рис. 6.22, 6.24, відрізняється відсутністю резистора R1 (рис. 6.22, Rl – >> oo). Регулювальні характеристики підсилювача наведено на рис. 6.25.

Добре відомо, що коефіцієнт передачі операційного підсилювача в типовому включенні визначається як 1 + R2 / R3, т. Е. За жодних обставин не може бути нижче одиниці. Зробити керований

атенюатор з регульованим коефіцієнтом передачі від 0 і вище вдалося Ф. Єнсен [6.10], який використовував здвоєний потенціометр у вихідних ланцюгах підсилювача, рис. 6.26, 6.27. Головним діючим елементом, регулюючий загальний коефіцієнт передачі пристрою, є здвоєний потенціометр R3, R4, рис. 6.27. Потенціометр включений таким чином, щоб при збільшенні значення опору потенціометра R3 частка напруги, що знімається з движка потенціометра R4, зростала.

Рис. 6.25. Регулювальні характеристики спрощеного варіанту підсилювача Ріттера

Рис. 6.24. Спрощений варіант підсилювача Ріттера з регульованим коефіцієнтом передачі

Примітка.

Зазначу, що подібний пристрій можна було б реалізувати набагато простіше, застосувавши як регулятора всього один потенціометр.

Підсилювач [6.8], представлений на рис. 6.28, дозволяє при використанні одного потенціометра регулювати рівень вихідного сигналу ‘в межах від -к до / с, дБ.

Коефіцієнт посилення неінвертуючий підсилювача Доус можна визначити як, Напруга в точці А одно

Напруга на виході пристроюОтже, разом

вий коефіцієнт передачі пристрою, дБ, за умови R1 = R4 = R можна знайти з виразу:На рис. 6.29 показана зави

симость до (х) при R1 = R4 = R = 2 кОм, R3 = 200 кОм (R2 = l МОм). При R3 »R і х = 0,1-0,9 можна скористатися наближеною залежністю:

Щеодин підсилювач Вудварда [6.11], представлений на рис. 6.30, виконаний на двох операційних підсилювачах, його коефіцієнт передачі не залежить від номіналу регулюючого елемента – потенціометра R2,

і визначається як, Χ ψ 0. Регулювальні характеристики

підсилювача наведено на рис. 6.31.

Синхронне і ідеально узгоджене зміна коефіцієнта передачі двоканального підсилювача при використанні єдиного органу управління – потенциометра можливо при побудові підсилювача за схемою, наведеної на рис. 6.32 [6.12].

Рис. 6.30. Схема підсилювача Вудварда на двох ОУ

Рис. 6.37. Регулювальні характеристики підсилювача, рис. 6.30, х – частка потенціометра R2, R1 = R3

Рис. 6.32. Схема двухканального регулятора рівня сигналу з використанням одного потенціометра

Підсилювач складається з двох електрично не зв’язаних вузлів, стан яких, однак, визначається положенням движка потенціометра R5. Резистивні елементи схеми визначені з умови: R1 = R3 = R10 = R11 = R; R2=R4=R12=Rg.

Коефіцієнт передачі верхнього за схемою вузла визначається виразом, Де к – частка потенціометра R5 (0-1,0).

Для нижнього за схемою вузла напруга на виході ОП DA2 визначається якРезистивний дільник R-RG ланцюга

негативного зворотного зв’язку ОП DA3 (його коефіцієнт передачі на інвертується вхід ОП DA3 дорівнює), Зменшує цю напругу

на інвертується вході ОУ DA3 доОскільки на неінвер

тірующем вході цієї мікросхеми напруга дорівнює UBx2, То, з урахуванням коефіцієнта передачі ОУ DA3, напруга на виході каналу одно

Отже, при зміні положення движка керуючого потенціометра R5 коефіцієнт передачі обох каналів підсилювача буде змінюватися в рівній мірі.

Для забезпечення нульового коефіцієнта передачі нижнього каналу підсилювача при крайньому верхнім положенні движка потенціометра R5 виробляють регулювання потенціометра R7.

Шустов М. А., Схемотехніка. 500 пристроїв на аналогових мікросхемах. – СПб .: Наука і Техніка, 2013. -352 с.