Генератор сигналов звуковой и ультразвуковой частоты

Мы продолжаем публикацию описаний любительских конструкций на интегральных микросхемах, начатую под этой рубрикой в восьмом номере журнала. Особенностью описанного здесь несложного генератора сигналов, разработанного в лаборатории журнала, является то, что он выполнен на базе, так называемого операционного усилителя. Далеко не все читатели знают, что это такое, поэтому в первой части статьи, предшествующей описанию прибора, коротко рассказывается об устройстве и назначении операционных усилителей, их основных параметрах и применении.

Операционный усилитель. Что это такое?

Операционные усилители (далее для краткости будем называть их ОУ) являются основным блоком аналоговых вычислительных машин, где они используются для выполнения операций сложения, дифференцирования, интегрирования, логарифмирования и т. д.

ОУ — это, пожалуй, наиболее универсальная интегральная микросхема, тот электронный кирпичик, обладающий усилением, который с успехом можно использовать в самых разнообразных усилителях постоянного и переменного тока на частоты до нескольких мегагерц, импульсных устройствах, генераторах колебаний различной формы и т. д. Причем, для превращения ОУ в любое из этих устройств достаточно добавить к нему всего лишь несколько пассивных или, иногда, активных элементов в цепи обратной связи, охватывающей ОУ. И, что очень важно, устройства на ОУ отличаются очень высокими параметрами — линейностью характеристик, стабильностью и т. п.

Идеальный операционный усилитель — это усилитель с бесконечно большими усилением и полосой пропускания, бесконечно большим входным и нулевым выходным сопротивлениями и бесконечно малым смещением нуля (от входа к выходу).

Реальные ОУ, конечно, отличаются от идеальных , но и то, что уже достигнуто, дает возможность создавать на их основе вполне совершенные устройства. Современные ОУ в интегральном исполнении имеют коэффициент усиления около 100 дБ, полосу пропускаемых частот — до 100 МГц, входное сопротивление — тысячи мегом, выходное—десятки Ом.

ОУ серии К140 (интегральные микросхемы К1УТ401А, К1УТ401Б)—о дни из самых простых. Их основой (см . рис. 1), как и других ОУ, является дифференциальный усилительный каскад. В микросхемах этой серии таких каскадов два: Т 1 , Т2 и Т3, Т4. За ними следует двухкаскадный эмиттерный повторитель на транзисторах, Т5 и Т 6 . Транзистор Т 9 является динамической нагрузкой первого из этих каскадов. Транзисторы Т 7 и Т8 служат для стабилизации тока первого каскада, причем последний из них (его коллектор и база соединены вместе) использован в качестве термо-стабилизирующего диода.

У операционного усилителя два входа. Один из них (Вход 1) —называют неинвертирующим (фаза выходного сигнала совпадает с фазой сигнала, поданного на этот вход), другой (Вход 2) — инвертирующим (фаза выходного сигнала в этом случае сдвинута на 180° по отношению к входному). При подаче одинаковых сигналов одновременно на оба входа выходной сигнал практически отсутствует. Средний температурный дрейф нуля для микросхем этой серии не превышает 20 мкВ/° С. Неинвентирующий вход на схемах упрощенно обозначают знаком + внутри символа усилителя (треугольника), инвентирующий — знаком —.

ОУ серии КД40 требуют внешних корректирующих цепей, так как иначе они легко самовозбуждаются на частотах 2—10 МГц. По этой же причине при конструировании устройств на ОУ необходимо разносить входные и выходные цепи возможно дальше друг от друга, оставлять на печатной плате возможно больше фольги, соединенной с общим проводом, применять развязывающие фильтры в цепях питания.

Основное включение ОУ — так называемый масштабный усилитель — показано на рис. 2 (цепи питания и коррекции для простоты опущены). Коэффициент усиления К_ус при таком включении равен отношению сопротивлений резисторов R2 и R1 (строго говоря, это действительно в том случае, если Кус намного меньше коэффициента усиления ОУ, не охваченного цепью отрицательной обратной связи). Входное сопротивление усилителя равно R1. К_ус можно легко регулировать, изменяя сопротивление либо резистора R2, либо R1 (в последнем случае изменяется и входное сопротивление масштабного усилителя).

Конденсатор С 1 создает частотно-зависимую отрицательную обратную связь, необходимую для подавления паразитных ВЧ колебаний. Действие этой обратной связи начинает проявляться с частот, примерно равных 1/2πR 2 С 1 и выше. При расчете К_ус на этих частотах необходимо учитывать и емкостное сопротивление конденсатора С 1 , так как он шунтирует резистор R2,

Усилитель, схема которого показана на рис. 3, помимо операционного усилителя ОУ содержит двухтактный выходной каскад, выполненный на транзисторах разной структуры Т 1 и Т2. Это позволяет снизить выходное сопротивление усилителя.

В обычных усилителях НЧ при таком включении транзисторов оконечного каскада форма выходного напряжения искажается — на его осциллограмме наблюдается ступенька, характерная для работы транзисторов без начального смещения. Большой запас усиления ОУ и глубокая отрицательная обратная связь с выхода усилителя на его вход приводят к линеаризации работы устройства. ОУ непосредственно сравнивает входной и выходной сигналы и автоматически смещает рабочую точку усиливающего в каждый данный момент транзистора, благодаря чему выходной сигнал получается неискаженным.

Как видно из рисунка, питание операционного усилителя осуществляется от двух разнополярных источников одинакового напряжения. Это дает возможность при нулевом входном сигнале получить нулевой сигнал на выходе устройства.

При подаче напряжения обратной связи с выхода ОУ на его неинвертирующий вход, он самовозбуждается , причем в зависимости от параметров цепи обратной связи форма колебаний может быть прямоугольной или синусоидальной. Для получения, синусоидальных колебаний ОУ охватывают частотноизбирательной положительной обратной связью и регулируемой отрицательной. При избытке положительной обратной связи форма колебаний в этом случае очень близка к меандру. Причина этого — в насыщении транзисторов из-за большого коэффициента усиления ОУ.