ITbIZutoTJu: Рбразуется в выходное .напряжение, отку-

Решение. Из рис. 5.8, в

С/в:

= Ж7 = Т001Ю;Г = 50 мкА.

Сопротивление /?изм - это сопротивление вольтметра либо осциллографа. Ток /пзм., необходимый для возбуждения любого из этих приборов, отдает выходяая цепь ОУ, а не источник / .з-

5.7. Измерение тока фотодетекторов

5.7.1. Фоторезистор. Когда переключатель на рис. 5.9 находится в положении 1, фоторезистор, который иногда называют также фотоэлементом с внутренним фотоэффектом, оказывается включенным последовательно между источником Ех и входом (-) ОУ. Сопротивление фоторезистора в темноте очень велико; при освещении последнего это сопротивление сильно уменьшается. Типичное значение темпового сопротивления превышает 500 кОм, а при освещении ярким солнечным светом сопротивление фоторезистора равно ---5 кОм. Если £вх = 5 В, то через фоторезистор в темноте будет проходить ток /=5 В/500 кОм=10 мкА, а при солнечном освещении /=5 В/5 кОм=1 мА.

Пример 5.10. На рис. 5.9 переключатель находится в положении /, а /?о.с=10 кОм. Найти (/вых а) в темноте и б) на свету, если ток через фото-резистор в темноте равен 10 мкА, а при солнечном освещеини 1 мА.

Решение. Из рис. 5.9 (;вых=/?о.с/. а) (/вых=10 кОмХЮ мкА=0,1 в; б) [;вых=10 kOmXI мА=10 в. Таким образом, схема на рис. 5.9 преобразует выходной ток фоторезистора в выходное напряжение (преобразователь ток - напряжение).

Солнечный элемент

Рис. 5.9. Использование ОУ для измерения выходных токов фотодетекторов

5.7.2. Фотодиод. При положении 2 переключателя на рис. 5.9 на одном из выводов фотодиода имеется потенциал Ех, а второй вывод фотодиода потенциально заземлен. При этом фотодиод смещен в обратном направлении, как это и должно быть для нормальной работы. В темноте через фотодиод проходит небольшой ток утечки порядка наноампер. Однако проходящий через него ток может составлять 50 мкА и более в зависимости от количества попадающей на него лучистой энергии, причем ток / зависит только от энергии излучения, попадающего на фотодиод, и не зависит от £вх. Ток / преобразуется в напряжение резистором 7?о.с.

Пример 5.11. При положении 2 переключателя на рис. 5.9 и /?о.с=100 кОм найти (увых для случаев, когда свет изменяет ток фотодиода с а) 1 мкА на б) 50 мкА.

Решение. (/вых=/?ос/. а) С/вых=100 кОм-1 мкА=0,1 в. б) 1/вых=100 кОм--50 мкА=5,0 в.

5.7.3. Солнечный элемент (полупроводниковый фотоэлемент).

Солнечный фотоэлемент - это элемент с внешним фотоэлементом. Он преобразует энергию света непосредственно в электрическую энергию. Когда переключатель на рис. 5.9 находится в положении 5, фотоэлемент из-за наличия потенциала земли на входе (-) фактически представляет собой короткозамкнутую цепь. В условиях короткого замыкания фотоэлемент генерирует ток величиной, пропорциональной падающей на его поверхность лучистой энергии. Этот ток преобразуется в напряжение точно так же, как это было описано в разд. 5.7.1 и 5.7.2. Все схемы, представленные в разд. 5.7, можно использовать не только для определения величины тока, но также для генерации выходного напряжения, пропорционального интенсивности излучения.

5.8. Усилитель тока

Особенности цепей с высокоомными источниками сигналов были рассмотрены в разд. 5.6.1. Преобразование тока в равный ему ток не имеет смысла, однако схема, которая преобразует ток некоторой величины в больший ток, может быть очень полезна. Показан-ная на рис. 5.10 схема представляет собой умножитель или усилитель тока (по технической терминологии это преобразователь ток-Т01). Источник сигнального тока /к.з фактически замкнут накоротко через входные зажимы ОУ. Весь ток /к.з проходит по резистору mR, и на нем падает напряжение mRI.a. (Резистор mR называется умножающим резистором, am - коэффициентом умножения). Поскольку R и mR включены параллельно, на резисторе R также падает напряжение mRIx.s. Следовательно, через R течет ток т/ .з. Оба этих тока, складываясь, образуют ток нагрузки 1а,

Я = 1кОм

Источник сигна/гьно- ( Т го тока

ЮОмкА

\К цепц

\ Высокого \ натряжг-ния

Оптрон

Рис. 5.10. Усилитель тока с нагрузкой в виде оптрона.

который является усиленной копией тока /к.з и определяется выражением

4.3- (5.7)

Пример 5.12. На рис. 5.10 R=\ кОм, mi?=99 кОм, откуда т=99 кОм/ /1 кОм=99. Найти ток /н, протекающий через светодиод оптроиа.

Решение. Из (5.7) /н= (1+99)-100 мкА=10 мА.

Немаловажным фактом является то, что нагрузка не влияет на ток в ней. Ток нагрузки зависит только от /п и /к.з. Чтобы сделать коэффициент усиления по току переменным, можно заменить R и mR на потенциометр 100 кОм. Движок потенциометра соединяется со светодиодом, один крайний вывод - с землей, а второй - со входом (-). Онтрон изолирует схему на ОУ от произвольной нагрузки, питающейся высоким напряжением.

5.9. Фазовращатель

5.9.1. Введение. Схема, обеспечивающая идеальный фазовый сдвиг, должна передавать сигнал, не изменяя его амплитуды, но сдвигая его фазу на определенный заданный угол. Пусть, например, на вход фазовращателя, показанного на рис. 5.11,6, подается синусоидальное напряжение Еу. частотой 1 кГц и амплитудой 1 В (рис. 5.11,а). Сигнал на выходе С/вых имеет ту же частоту и амплитуду, что и входной сигнал, но запаздывает относительно вх на 90°. Иначе говоря, С/вых пересекает уровень О В спустя периода после момента, когда вх проходит через О В. При этом С/вых можно записать в виде С/вых=£вхе /°, В общем виде выражение для выходного напряжения схемы фазовращателя (рис. 5.11,6) имеет вид

вых=£вхе- (5.8)

где е - фазовый угол, который можно определить из соотношения (5.9а).

Игранные применения операционных усилителей 1-

Фазобый угол в, град

Л = ЮОкОм

Рис. 5.11. Фазовращатель, о -формы сигналов иа входе и выходе при 6=-90°; б -схема.

5.9,2. Схема фазовращателя. Операционный усилитель, три резистора и один конденсатор - вот и все, что требуется, как видно из рис. 5,11,6, для получения превосходного фазовращателя. Резисторы R должны иметь одинаковые сопротивления; можно использовать любой удобный номинал от 10 до 220 кОм. Фазовый угол 6 зависит только от /?вх, СГвх и от частоты / входного сигнала вх. Они связаны следующим соотношением:

е г -2 arctg 2я ?зСз (5.9а)

где е измеряется в градусах, / - в герцах, R-в омах, а С - в фарадах. Уравнение (5.9а) полезно для определения фазового

угла, если /, Rbx, Свх угол, выбираем Свх

известны. Если определен требуемый фазовый и решаем это уравнение относительно Rbx: tg(e/2)

2я/Св

(5.96)

Пример 5.J3. Определить Rbx на рис. 5.11,6, при котором Увых будет отставать по фазе от Евх на 90°. Частота равна 1 кГц.

Решение. Поскольку в=-90°, tg(-90°/2)=tg(-45°)=-1; из (5.96)

Rbx = 2n.-lOOO-Voi-10-e =

При /?вх=15,9 кОм С/вых будет иметь фазовый сдвиг, показанный на рис. 5.11, а. Этот сигнал имеет форму косинусоиды, взятой со знаком минус.

пример 5.14. Определить фазовый сдвиг 6 в схеме на рис. 5.11,6, если /?вх=100 кОм.

Решение. Из (5.9а)

е = -2 arctg2л (1.103) (100-103) (0,01-10- ) ==

= -2 arctg 6,28 = -2.81° = -162°.

Из (5.9а) следует, что 6 = -90° тогда, когда Rbx равно реактивному сопротивлению Свх, т. е. 1/(2я/Свх). При изменении Rbx от 1 до 100 кОм О изменяется приблизительно от -12 до -168°. Таким образом, фазовращатель может сдвигать фазовый угол в диапазоне почти до 180°. Если Rbx и Свх на рис. 5.11,6 поменять местами, фазовый угол будет положительным.

5.10. Предусилитель для звукоснимателя

5.10.1. Коррекция частотной характеристики грамзаписи. При

грамзаписи резец движется оо скоростью, постоянной при заданной амплитуде напряжения сигнала. Если амплитуду поперечных колебаний резца установить такой, чтобы он а частоте 1 кГц прорезал дорожку шириной в шаг записи, то более низкие частоты будут заставлять резец заходить на соседние дорожки. Более высокие частоты будут вызывать меньшее перемещение резца. Но поперечные колебания резца должны быть одинаковы на всех частотах. Отсюда следует, что сигналы с частотой от 500 до 50 Гц должны быть ослаблены, а в диапазоне от 2 до 20 кГц--усилены. С другой стороны, высокочастотные шумы необходимо ослаблять. Все эти операции в целом называются коррекцией частотной характеристики грамзаписи.

5.10.2. Коррекция характеристики воспроизведения грамзаписи (стандарт RIAA). При воспроизведении грамзаписи схема пред-усилителя должна обеспечивать процесс, обратный частотной коррекции записи. Амплитудно-частотная характеристика, необхо-

Электромаг- \ иитный зВуко- V снимитель

Риа 512 Схема предусилителя для электромагнитного звукоснимателя (а), обеспечивающая частотную коррекцию воспроизведения грамзаписи по стандарту RIAA, и ее амплитудно-частотная характеристика (р).

димая для предусилителя сигналов с электромагнитной головки звукоснимателя, показана на рис. 5.12, а. Идеальная кривая, изображенная пунктиром, называется кривой RIAA частотной коррекции воспроизведения грамзаписи. (Данная кривая частотной коррекции является стандартной кривой характеристики воспроизведения, принятой американской ассоциацией производства грампластинок для долгоиграющих записей.) Левая ось ординат на рис. 5.12.а показывает в децибелах (дБ), насколько должен быть