Функциональные усилители

Функциональный усилитель представляет собой универсальную схему, с помощью которой можно реализовать любую зависимость выходного напряжения от входного. Идея функционального усилителя заключается в представлении нужной нелинейной зависимости выходного и входного напряжений в виде кусочно-линейной аппроксимации и построении такой схемы усилителя, коэффициент усиления которой зависит от входного или выходного напряжения. На рисунке 8.13 представлена требуемая нелинейная характеристика и ее аппроксимация отрезками прямых линий.

Рисунок 8.13. Кусочно-линейная аппроксимация нелинейной амплитудной характеристики усилителя

Из рисунка видно, что на участке от 0 до U _вх1 усилитель должен иметь коэффициент усиления К₁ на следующем участке, от U _вх1 до U _вх2 – коэффициент усиления К₂ и т.д. Величины этих коэффициентов усиления К₁, К₂ и т.д. легко определяются из требуемого вида аппроксимирующей характеристики:

. (8.28)

За основу функционального усилителя обычно берут схему инвертирующего усилителя на основе ОУ(рисунок 8.14).

Рисунок 8.14. Функциональный усилитель

На первом участке, в пределах 0 до U _вх1, коэффициент усиления такого усилителя (без учета знака) определяется отношение резистора R ₁ и R _ос:

Если при увеличении входного напряжения свыше U _вх1, коэффициент усиления К₂ должен увеличиться (как показано на рисунке 8.13), то необходимо уменьшить сопротивление резистора R ₁ так, чтобы коэффициент усиления стал равен К₂ (если же коэффициент усиления К₂ уменьшается, то необходимо изменять сопротивление резистора R_ос, в этом случае последующие изменения в схеме и выражения для расчета параметров легко выводятся аналогичным образом). Новое значение сопротивления входного резистора инвертирующего усилителя определяется по формуле

, (8.29)

Для уменьшения сопротивления резистора R₁ необходимо параллельно ему включить дополнительный резистор, причем он должен включаться только тогда, когда входное напряжение превысит величину U _вх2. Для этого в схему инвертирующего усилителя включается дополнительная цепочка из резисторов R ₂, R ₃ и диода VD. В соответствии с принципом "мнимой земли", анод диода, подсоединенный к инвертирующему входу ОУ, имеет потенциал равный нулю. Диод откроется тогда, когда напряжение на катоде U _А уменьшится ниже потенциала анода, т.е. ниже 0. Поэтому напряжение источника смещения должно быть противоположного знака по сравнению со знаком анализируемого входного напряжения.

До момента отпирания диода напряжение в точке А можно определить из выражения:

. _(8.30)

После отпирания эквивалентное сопротивление параллельно включенных резисторов _{R 1 и R 2} должно быть равно значению, рассчитанному по (8.29), откуда

. (8.31)

Определив сопротивление R₂ и, задавшись величиной напряжения смещения (при этом, целесообразно в качестве этого источника смещения использовать напряжение одного из источников питания ОУ), из (8.30) определяют сопротивление резистора R3.

Если характеристика аппроксимирована еще одной прямой, то аналогично включается и рассчитывается дополнительная цепочка из двух резисторов и диода.