mR if

n iR с

2R+AR £

2R+/iR

Рис. 8.12. Мостовые усилители с заземленными датчиками. Q - обычная схема; б-схема для датчика с большим потреблением по току.

8.8. Измерение малых изменений сопротивления

Обычно трудно измерить изменения сопротивления меньше 1%. Однако задача упрощается, если использовать мостовую резистив-ную цепь и измерительный усилитель, как показано на рис. 8.13. Резисторы R\ здесь проволочные или металлопленочные, согласованные с точностью до 1%. Испытуемый резистор, у которого измеряется изменение сопротивления (например, под воздействием давления, вибрации или при ударе), показан на схеме как R+AR. Десятиоборотный потенциометр R подстраивают так, чтобы его сопротивление было в точности равно сопротивлению R измеряемого резистора. Делают это путем подключения измерительного усилителя и подстройкой до тех пор, пока СУбых не станет равным О В. При этом мы устанавливаем опорное значение резистора R, поэтому такая операция называется настройкой нуля. Соотноше-

РегилироБка усиления

Рис. 8.13. Схема для измерения малых изменений сопротивления.

ние между Vux и процентным изменением сопротивления выводится ниже.

Поскольку резисторы R на рис. 8.13 согласованы между собой, £i = £/2. Чтобы найти Ег, заметим, что Е делится между R и R + AR, так что

2R+AR

Для определения разности между Ei и Ei вычтем полученные для них значения

В нашем случае малое изменение AR пренебрежимо мало в сравнении с 2R и его можно не учитывать в знаменателе. Получаем

Р Р Е &R

Коэффициент усиления дифференциального усилителя UbhxI{Ei- -Ei) можно сделать равным 400 (так, как показано в разд. 8.4); при этом

(;, ,=400(£,-£,)=4004. Теперь можно выразить Свых просто как

вых

= 100£

8.7а)

При £=1 В

100 В,

(8.76)

т. е. напряжение на выходе, выраженное в вольтах, численно равно изменению сопротивления в %.

Пример 8.11. Найти [/ыл в примере 8.10, пользуясь уравнением (8.7а), если R=\G кОм, Д/?=100 Ом и £вх=1 В.

Решение-

Из (8.7а) получаем

10 000 -

= 100.1.

= 1%.

= 1 в.

Обратите внимание на то, что © соответствии с (8.76) изменение С/вых а 1 В соответствует изменению сопротивления на 1%-

8.9. Измерение силы, давления или ускорения

Когда к объекту прикладывается сила, давление или на него воздействует ускорение, объект испытывает нагрузку. Величина этой нагрузки преобразуется в пропорциональное ей напряжение при помощи тензодатчика, представляющего собой просто провод малого диаметра, фольгу или полупроводниковый материал с высоким сопротивлением. Этот измерительный элемент для хранения и транспортировки крепится на тонком листе пластмассы.

Чтобы измерить с помощью тензодатчика нагрузку, приложенную к объекту, датчик осторожно приклеивают к последнему тонким слоем эпоксидной смолы. В иенагруженном состоянии датчик имеет сопротивление R. При сжатии или растяжении (силой, давлением или ускорением) сопротивление датчика соответственно умень-щается или увеличивается. Изменение сопротивления которое будет пропорционально величине нагрузки, или отношение AR/R можно определить с помощью схемы, показанной на рис. 8.13; при этом измеряются С/вых И £ И вычисляется AR/R по уравнению (8.7а). По данным изготовителя датчика или путем калибровки по месту можно связать AR с силой, давлением или ускорением.

Задачи

8.1. На рнс. 8.] т=20, £i = 0,2 В и £2=-0,25 В. Определите

8.2. Вычислите, чему равно т на рис. 8.1, если 6вых=10 В, £1=7,5 В и £j= = 7,4 В.

8.3. Когда входное напряжение дифференциального усилителя япляется синфазным?

8.4. 8.5.

8.6.

8.7.

8.8.

8.9, 8.10. 8.11. 8,12.

8.13. 8.14. 8.15.

Если Сспиф на рис. 8.2 равно 5 В, то чему равно t/вых?

На рис. 8.4,а f3=0,15 В, а £вх=0,1 В. Чему равно выходное напряжение,-

вызы.ваемое а) Са и б) £вх?

Чему равно выходное напряжение Свых на рис. 8.5, а, если £,=6 В и £2=4 В?

В схеме по рис. 8.5,6 ?=10 кОм и aR=2 кОм. Определите а) а, б) t/вых, и в) /. £1=3 В и £2=2 В.

Выходное напряжение Ueux на рис. 8.6 при £i = l,5 В и £2=1 В равно. 8 В. Вычислите значение а.

а) Вычислите а на рис. 8.6 для случая, когда общий коэффициент усиления (/bmx/(£i-£2)=21. б) Определите (£i-£2), если сых=3 В. Вычислите величину тока нагрузки / на рис. 8.9,6, если £вх=0,2 В, а= =0,1 и R =200 Ом.

Испо.пьзуя данные предыдущей задачи, определите, чему равно опорное напряжение (напряжение между зажимом Оп и землей). Rh=10 кОм. Термистор на рис. 8.10, с имеет при опорной температуре 75 °С сопротивление 10 кОм. Если температура уменьшается до 50 °С, сопротивление увеличивается до 15 кОм. Определите а) AR н б) (/вых- £=4 В. На рнс. 8.10 в Ri=20 кОм, .=10 кОм при 40 °С, а £=10 В; определите Свых при бОХ, когда R=7,b кОм.

Определите иых при 50 °С в схеме по рис. 8.12, а, если в ней используется термкстор, имеющий параметры, приведенные в предыдущей задаче. На рис. 8.12,6 £=6 В, R=\0 кОм и AR=5 кОи. Найдите а) t/вы., б) от- такое, при котором ток, поступающий в выходной зажим ОУ, составлял, бы 0.02 мА, и в) /.

I

СМЕЩЕНИЕ. СДВИГИ И ДРЕЙФ

9.0. Введение

Операционный усилитель широко используется в схемах усиления сигналов постоянного или переменного тока либо их комбинаций. При использовании ОУ в схеме усилителя постоянного тока некоторые электрические параметры ОУ могут вызвать появление больших ошибок в выходном напряжении. В идеальном случае выходное напряжение должно быть равно произведению входного сигнала постоянного тока па коэффициент усиления усилителя с обратной связью. Однако к этому входному напря.Кению может добавляться составляющая ошибки, которая возникает из-за различия между идеальным н реальным ОУ, Если идеальное значение выходного напряжения велико по сравнению с составляющей ошибки, то мы можем не принимать во внимание те параметры ОУ, которые ее вызвали. Однако если составляющая ошибки сравнима с идеальным значением выходного напряжения или даже превосходит последнее, в этом случае мы должны попытаться свести ошибку к минимуму. Существуют следующие параметры ОУ, которые вносят вклад в ошибку в выходном напряжении на постоянном токе: входные токи смещения, входной ток сдвига, входное напряжение сдвига и дрейф.

При использовании ОУ в усилителе переменного тока ошибка в выходном напряжении по постоянному току исключается благодаря наличию конденсаторов связи. По этой причине указанные выше четыре параметра в схемах переменного тока несущественны. Однако в этом случае возникают новые проблемы, связанные с частотной характеристикой и скоростью нарастания. Частотная характеристика показывает, как изменяется коэффициент усиления по напряжению с изменением частоты. Чаще всею эти данные представляют в виде графической зависимости коэффициента усиления от частоты. Изготовители ОУ дают такие графики для усилителя без обратной связи. Достаточно беглого взгляда, чтобы определить из этого графика, какой величины коэффициент усиления можно получить на определенной частоте.

Если ОУ дает на определенной (интересующей нас) частоте достаточный коэффициент усиления, все же остается вероятность внесения ошибки в Uux- Причиной тому являются коренные ограничения, налагаемые операционным усилителем (а иногда конденсаторами схемы) на скорость, с которой может изменяться вы-

чодное напряжение. Если входной сигнал пытается заставить выходное напряжение ОУ изменяться быстрее, чем оно способно это .делать, форма выходного сигнала искажается. Этот вид ошибки нозникает из-за наличия емкостей в ОУ и называется ограничением скорости нарастания.

На рис. 9.1 сведены в таблицу те параметры ОУ, которые мо-. ут вызвать ошибку в различных схемных применениях онераци-онного усилителя. Первые четыре параметра могут ограничить точные характеристики по постоянному току, последние две - по переменному.

Параметры ОУ, которые могут влиять на характеристику схемы

Область применения ОУ

усилитель постоянного тока

усилитель переменного тока

Может быть

Рис. 9.1. Параметры ОУ, влияющие на его работу в различных схемах.

Те параметры ОУ, которые вызывают ошибки в основном по постоянному току, рассмотрены в этой главе. Параметры, дающие пшибки при усилении сигналов переменного тока, будут изучаться )! гл. 10. Начнем с входных токов смещения и того, каким образом и1и могут внести ошибки в постоянное выходное напряжение схемы на ОУ.

9.1. Входные токи смещения

Прежде чем на ОУ будет иодано какое-либо напряжёййе сигна-транзисторы операционного усилителя должны получить пра-i.n.ibHoe (соответствующее) смещение. Верно выполненное смеще-mic гарантирует правильные (подходящие) значения токов в Ьазе; II коллекторе, а также нужную величину падения напряжения на ч.к-тке коллектор - эмиттер транзистора. До сих пор мы считали,. МО входные зажимы ОУ не потребляют ток. Это идеальное поло- сипе. На практике через входные зажимы ОУ проходит неболь-inii постоянный ток смешения транзисторов (см. нриложения 1 1.). На рис. 9.2,а показана упрощенная схема операционного \>и.птсля. При рассмотрении влияния входных токов смешения! п\ обычно представляют в виде источников тока, включенных по-II*

Hill