ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В УСТРОЙСТВАХ РЗ
Инвертирующий операционный усилитель выполняется на ОУ с параллельной отрицательной ОС (ООС) по напряжению (рис. 2.45, а). Неинвертирующий вход Н соединен с общей (нулевой) шинкой непосредственно или через резистор, поэтому UH = 0. Входной сигнал UBX1,подается через резистор R1на И-вход ОУ. На этот же вход по цепи ОС через резистор ROCпоступает напряжение с выхода ОУ: UOC= –KOCUВЫХ. Коэффициент KOC показывает, какая часть выходного напряжения передается на вход усилителя: KOC = R1/(R1 + ROC).
Определим основной параметр усилителя: КуИ = UBЫX/UBX1. Полагая, что ОУ имеет идеальные параметры (КуОУ = ∞, ZвхОУ = ∞), принимаем напряжение между входными зажимами ОУ UBX.Д = UH–И = UH – UИ =0. Отсюда следует, что UИ = UH, а так как UН =0, то потенциал И-входа (UИ) инвертирующего усилителя будет равен нулю.
Определим входной ток I1,и ток ОС IOC (рис. 2.45, а). При подаче на вход 1сигнала UBX1 положительного знака
(2.27)
(2.28)
Поскольку у идеального ОУ IBX = 0, то IOC = I1 (I1 – входной ток схемы). Подставив значения токов из (2.27) и (2.28), получим: UBX1/R1 = – UBЫX/ROC. Отсюда находим
КуИ = – UBЫX/UBX1 = – ROC/R1. (2.29)
Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется только отношением сопротивлений иепи ОС (ROC) и входного сопротивления схемы (R1) и является поэтому стабильной величиной, не зависящей от параметров транзисторов и других элементов, входящих в ОУ (изме- няющихся под влиянием температуры и других факторов).
Линейная часть проходной характеристики 1инвертирующего усилителя (участок АВна рис. 2.45, в),где UBЫX = –КуИUBX1, идет ниже линейной части 2 характеристики ОУ, поскольку КуИ << КуОУ и имеет больший линейный участок. Изменяя соотношение ROCи R1, можно изменять значение КуИ и проходную характеристику.
При ROC = R1/ КуИ = 1 инвертирующий ОУ превращается в повторитель UBX1 изменением его знака: UBЫX = –UВХ1.
Входное сопротивление схемы инвертирующего ОУ RBX = UBX1/IBX;с учетом того, что потенциал UИ = 0, UBX = UBX1,
а входной ток IBX = I1, поэтому RBX = UBX1/I1 = R1, как правило, оно значительно меньше RвхОУ.
Приближенно выходное сопротивление схемы определяется по формуле [34]:
(2.30)
Поскольку КуОУ велико, RвхИ имеет малое значение (50 – 100 Ом).
Инвертирующий усилитель может служить для преобразования входных напряжений как постоянного, так и переменного тока и широко используется для выполнения различных функциональных схем, рассматриваемых ниже. Инвертирующий усилитель используется как масштабный усилитель с инвертированием входного сигнала.
При анализе любых схем, построенных на инвертирующем ОУ, следует учитывать, что потенциал И-входа равен нулю (поскольку UH–И = 0).
Неинвертирующий операционный усилитель выполняется по схеме с ООС по напряжению (рис. 2.46). Входной сигнал UBX подается на Н-вход операционного усилителя. Напряжение ОС UОСснимается с делителя напряжения, образованного резисторами R1 – RОСи заводится на И-вход. Поскольку напряжение между входами ОУ Ни И равно разности их потенциалов, то под действием ОС на входе усилителя появится результирующее дифференциальное напряжение UBX.Д = UH – UИ = UВХ – UОС.
В этой схеме ОС действует как ООС, противодействуя UВХ. Значение UОС можно определить как падение напряжения от тока I1 = UBЫX/(R1 + ROC) в резисторе R1, т. е. UОС = UBЫX × = KOCUВЫХ.
Из схемы рис. 2.46 видно, что
UВЫХ = I1R1 + IOCROC. (2.31)
Полагая, что ОУ идеален, считаем, что IвхОУ = 0 и, следовательно, IOC.ОУ = I1. При этом, как следует из схемы включения (рис. 2.46), I1 = UBX/R1, поэтому IOC = I1 = UBX/R1.
Подставив значения I1 и IOC в (2.31), получим
(2.32)
Из (2.32) следует, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
(2.33)
Как и в предыдущей схеме, коэффициент усиления неинвертирующего ОУ КуН не зависит от изменения параметров элементов, входящих в ОУ, и является стабильной величиной.
Проходная характеристика неинвертирующего усилителя приведена на рис. 2,47. Она располагается в I и III квадрантах комплексной плоскости, так как знаки UBЫX и UBX совпадают. Наклон линейной части характеристики определяется значением КуН: чем меньше КуН, тем больше линейная часть и диапазон UBX, при котором схема работает как линейный усилитель.
Особенностью неинвертирующего усилителя является очень большое входное сопротивление RBX (до сотен мегаом). Выходное сопротивление RВЫХ = 50+ 100 Ом.
Неинвертирующий усилитель используется как базовый элемент для выполнения ряда функциональных узлов в схемах измерительных органов.
Дифференциальный усилитель. Схема усилителя (рис. 2.48) выполняется на ОУ с ООС. Она действует на оба его входа (И и Н), куда приходят также два входных сигнала (UBX1 и UBX2). Такой усилитель используется для вычитания одного входного сигнала из другого (например, UBX1 – UBX2):
UвыхДУ = КДУ(UBX2 – UBX1) (2.34)
Эту схему можно рассматривать как инвертирующий и неинвертирующий усилители, выполненные на одном ОУ.
Действительно, на И-вход ОУ так же, как и у инвертирующего усилителя (рис. 2.48), через резистор R1 подается входной сигнал UBX1 а через резистор ROC – цепь ООС, в то же время на Н-вход, по аналогии с неинвертирующим усилителем (см. рис. 2.46), подается входное напряжение UBX2 и ООС, приходящая с И-входа. В отличие от схемы на рис. 2.46, напряжение UBX2 снимается и заводится на Н-вход с резистора RЗ делителя напряжения резисторов R2 и R3, т. е.
(2.35)
Учитывая, что при наличии ООС ОУ работает в линейной части, пользуясь методом наложения, находим выходное напряжение рассматриваемой схемы как алгебраическую сумму (с учетом знаков) двух выходных напряжений. Одного, получаемого в результате усиления UBX1 с коэффициентом КуИ = ROC/R1 при UBX1 = 0, и второго, в результате усиления UBX2, поступающего на Н-вход (2.35), с коэффициентом при UBX1 = 0. В соответствиии с этим получим
(2.36)
Чтобы рассматриваемая схема работала как вычитатель, коэффициенты усиления при UBX2 и UBX1 должны быть равны. Для выполнения этого условия сопротивления резисторов в (2.36) выбираются исходя из следующих соотношений:
R2 = R1; R3 = ROC. (2.37)
Приняв сопротивления резисторов в выражении (2.36) по (2.37), получим
(2.38)
Здесь ROC/R1, является коэффициентом преобразования (усиления) UBX2 и UBX1. Рассмотренная схема работает как вычитатель.
Дата добавления: 2020-10-25; просмотров: 466;