Главная > Схемотехника > Аналоговая электроника на операционных усилителях
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

9.2. Умножители

Умножители являются одними из самых распространенных функциональных узлов современных аналоговых устройств и, помимо перемножения двух сигналов, применяются во многих других случаях. Среди них можно назвать схемы для возведения в квадрат, извлечения квадратного корня, измерения мощности; управляемые напряжением схемы, например усилители или фильтры; узлы управления амплитудой колебаний генератора; схемы определения среднеквадратичного значения и линеаризующие схемы. В последующих разделах рассмотрены вопросы, относящиеся к большинству схем умножителей.

Принципы работы и погрешности умножителя

Общее обозначение умножителя показано на рис. 9.3. Типичный диапазон напряжений составляет ±10 В, поэтому масштабный коэффициент обычно равен . В этом случае при В выходное напряжение составляет 10 В.

Идеальный умножитель должен работать во всех четырех квадрантах (т.е. при любых полярностях входных сигналов рис. 9.4). Некоторые умножители работают только в одном квадранте (например, оба сигнала должны быть положительными), или в двух квадрантах (т.е. напряжение на одном из входов должно быть только одной полярности).

Рис. 9.3. Аналоговый умножитель.

Рис. 9.4. Полярности входных сигналов умножителя: а) четырехквадрантного, б) двухквадрантного, в) одноквадрантного.

Реальный умножитель всегда отличается от идеального из-за ряда ограничений, накладываемых на входные и выходные параметры. Например, ограничен диапазон входных дифференциальных и синфазных напряжений, входное сопротивление имеет конечную величину, выходной ток не может превысить максимально допустимого значения, выходное сопротивление также конечно. Характерные для умножителей особенности рассматриваются далее применительно к четырехквадрантному варианту.

Выходное напряжение умножителя более точно описывается следующим выражением:

где — погрешность масштабного коэффициента, — входное напряжение смещения по входу X, — входное напряжение смещения по входу ; — входное напряжение смещения, — погрешность, возникающая из-за прямого прохождения сигнала с входа X на выход, — погрешность, возникающая из-за прямого прохождения сигнала с входа Y на выход, — нелинейность передаточной характеристики.

Данное выражение можно представить в другом виде:

Умножитель может иметь четыре внешних регулировки:

— балансировка смещения по входу

— балансировка смещения по входу ,

— балансировка выходного смещения

— коррекция нелинейности

1. Погрешности из-за прямых прохождений сигналов и смещений.

Выходной сигнал идеального умножителя должен быть равен нулю при нулевом напряжении хотя бы на одном из входов. Реально этого не происходит, поскольку существуют три основные погрешности:

— выходное напряжение смещения,

— прохождение сигнала со входа X, представляющее собой небольшой сигнал ошибки, проходящий на выход со входа X тогда, когда сигнал на входе Y равен нулю,

— аналогичное прохождение со входа

Погрешность из-за выходного напряжения смещения обычно не представляет большой проблемы, так как ее легко устранить балансировкой. Небольшую погрешность может вызвать дрейф выходного напряжения смещения, так как, если в системе не применяется автоматическая коррекция нуля, его нельзя отличить от полезного сигнала. Типичное значение выходного напряжения смещения составляет около 5 мВ.

Сигнал прямого прохождения со входа X состоит из двух слагаемых (аналогичные замечания относятся и к прохождению со входа Y). Первое слагаемое возникает из-за того, что сигнал на входе X умножается на конечное напряжение смещения входа Y. Эту составляющую можно свести к минимуму, корректируя смещение по входу Y. Вторая составляющая нелинейно зависит от напряжения на входе X, и полностью устранить ее невозможно. Регулируя входные напряжения смещения по обоим входам, можно свести погрешности прохождения к минимуму. Однако, если в системе не используется автоматическая коррекция нуля, температурные дрейфы входных напряжений смещения будут приводить к увеличению

прохождения. Прямое прохождение со входов зависит от частоты и значительно возрастает с ее увеличением. Некоторые производители микросхем умножителей гарантируют наибольший уровень прямого прохождения сигналов со входов при сбалансированных внешними подстроенными элементами входных напряжениях смещения. Отметим, что уровни прямого прохождения сигналов с разных входов могут сильно различаться между собой (до 10 раз). Прямое прохождение измеряется либо в вольтах — как приращение выходного напряжения при изменении одного из входных сигналов в полном рабочем диапазоне (например, от -10В до +10В, второй входной сигнал при этом равен нулю), либо в процентах от максимального выходного напряжения (при тех же условиях). В качестве испытательного используется синусоидальный сигнал с частотой 50 Гц и размахом 20 В. Типичные значения прямого прохождения составляют около 50 мВ (0,5%) или менее.

Процедура коррекции вышеописанных погрешностей умножителй состоит в следующем.

— Подключить вход X к земле. Подать на вход Y синусоидальный сигнал частотой 50 Гц и размахом 20 В. Устранить смещение по входу X, добиваясь минимума переменного напряжения на выходе.

— Подключить вход Y к земле. Подать на вход X низкочастотную синусоиду с максимальным размахом. Устранить смещение по входу

— Подключить оба входа к земле. Сбалансировать выходное смещение.

2. Погрешность коэффициента передачи.

В большинстве умножителей необходимое значение масштабного коэффициента устанавливается довольно легко с помощью внешнего потенциометра. Следует обратить особое внимание на дрейф масштабного коэффициента, особенно при изменениях температуры, так как эта погрешность корректирутеся с трудом и может вызвать серьезные проблемы.

3. Нелинейность передаточной Характеристики

Нелинейность передаточной характеристики — это максимальное отклонение ее от идеальной прямой линии. Обычно погрешность определяется при максимальном входном сигнале (положительном или отрицательном), поданном на один из входов; на другой вход подается измерительный сигнал, которым может быть, например, синусоида с частотой 50 Гц и размахом 20 В. Нелинейность приводит к искажениям сигналов, скорректировать ее чрезвычайно сложно. Микросхемы типичных умножителей имеют коэффициенты нелинейности от 0,01% и до следует отметить, что линейность одного из входов может быть намного (до

10 раз) хуже, чем другого, что может оказаться решающим обстоятельством при выборе сигнальных входов умножителя в конкретной схеме.

4. Суммарная погрешность.

Суммарная погрешность является обобщенным параметром, который включает в себя погрешности масштабного коэффициента, прямое прохождение со входов, выходное смещение и коэффициенты нелинейности. Различные микросхемы умножителей удобно сравнивать именно по этому параметру Типичные значения суммарной погрешности составляют от 0,1% до нескольких процентов.

5. Динамические погрешности.

В справочных данных указываются следующие параметры: ширина полосы пропускания по уровню -3 дБ (на одном из входов при этом устанавливается максимальное положительное или отрицательное напряжение), скорость нарастания выходного напряжения, время установления выходного напряжения и ширина полосы входных сигналов, в которой общая погрешность умножения не превышает 1%. Общие замечания по поводу динамических погрешностей: во-первых, погрешности возрастают при повышении частоты, во-вторых, ширина полосы пропускания зависит от постоянных уровней входных сигналов и при малых сигналах может быть весьма узкой.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление