+Vs (питание)

Vo-G- (vi - Vi )

Рис. 4.18. Схематическое изображение операционного усилителя (на схемах присоединение к источнику питания обычно не показывается)

Выходное напряжение пропорционально разности двух входных напряжений

v, = G-(Vi-vr)

где G - коэффициент усиления. Даже небольшая разность входных напряжений вызывает cyntecTBeHHoe изменение выходного напряжения. В таком виде операционный усилитель является простейшей формой компаратора, поскольку даже очень малая разность входных напряжений выводит усилитель в режим положительногс или отрицательного насыщения.

Так как коэффициент усиления очень большой, но непредсказуемый, операционный усилитель никогда не используется без какой-либо отрицательной обратное связи. На низких частотах (ниже 20 кГц) большинство схем обратной связи можнс выполнить из различных пассивных элементов - резисторов и конденсаторов. Инвертирующий усилитель, или инвертор (рис. 4.19 а), имеет простейшую структуру цепи обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению - отношение выходного напряжения к входному

1 +

1 R+R2

aG - коэффициент усиления самого операционного усилителя.

Величина G падает с возрастанием частоты сигнала, но, поскольку 3 - G »! коэффициент усиления по напряжению зависит только от величины сопротивлений в цепи обратной связи. Для идеального операционного усилителя коэффицИ ент усиления выражается как отношение импеданса обратной связи к входно.\С импедансу.

Цепь обратной связи, изображенная на рис. 4.19 б, называется повторителем иЗ пряжения (voltage follower) или преобразователем импеданса (impedance transfomeri Коэффициент усиления повторителя напряжения приблизительно равен 1. Еслипс вторитель напряжения присоединен последовательно к измерительному иреобразс вателю, имеющему высокий выходной импеданс, то новая система будет иметь те/

характеристики, что и исходная, но выходной импеданс будет низким. В некоторых случаях сигнал необходимо усилить до того, как он будет подвергнут дальнейшей обработке,

Рис. 4.19. Схемы усилителя в режиме инвертора (а) и повторителя напряжения {б)

Рис. 4.20. Дифференциальный усилитель

Другая важная схема с операционным усилителем - дифференциальный усилитель {differential amplifier) (рис. 4.20). Как видно из названия, усилитель оперирует разностью между входными сигналами. Выражение для выходного напряжения имеет вид

Рассмотренные выше схемы с операционным усилителем представляют собой основные элементы, иа базе которых создаются схемы согласования сигналов. Дополнительные функциональные возможности, например выделение или подавление специфических частот, легко достигаются изменением структуры соединения пассивных элементов между выходом и входом усилителя. Дополнительные сведения ча этот счет приведены в главе 5.

4.5.2. Электрические проводники

Электрические проводники являются средой, по которой электрические сигналы РСпрострапяются в пространстве. Передаваемый но проводнику сигнал но мере уда-

ления от источника подвергается изменениям, определяемым физическими характе. ристиками линии передачи. Поэтому проводники должны рассматриваться и анал,.. зироваться как отдельный элемент системы "датчик-согласующие цепи-управляю. ищи компьготер". Передача постоянного тока - простая задача в тех случаях, когд; импеданс проводника мал по сравнению с импедансом приемника на конце линии.

Передача импульсов или других быстро менягоихихся сигналов порождает, как пр;. вило, некоторые проблемы. Если длина линии такова, что время распространения си;. }1ала между концами линии соизмеримо с величиной периода сигнала или времен, нарастания, возникают побочные эффекты (скорость распространения электрическс-го сигнала по линии примерно равна скорости света 300 • 10 км/с = 300 м/мкс). Oj ним из таких эффектов является отражение сигналов (рис. 4.21).

импеданс линии Zq

источник сигнала

оконечный импеданс Zi

Рис. 4.21. Отражение сигнала при неправильном согласовании импедансов между линией передачи и оконечным элементом - Zq Zj

Линию передачи можно представить в виде двух параллельных проводов, имег пшх распределенные по длине индуктивность L и емкость С{1яС- удельные значения на единицу длины). На высоких частотах общая нагрузка, создаваемая распределенными емкостями, становится больше резистивной. Входной сигнал в произвольно» точке линии будет распространяться в обоих направлениях со скоростыо

VI-с

Сигнал, распространяющийся вдоль линии, имегощей на конце импеданс Zj, буде-частично отражен с коэффициентом отражения р, определяемым формулой

2o-Vc

называется характеристическим импедансом линии. Следовательно, в идеальН" случае, чтобы избежать отражения, и.мнеданс нагрузки должен равняться хара"* тсристичсскому импедансу Zj = Zq.