План лекции
1. Структурная схема ОУ; достоинства ОУ
2. Инвертирующая и неинвертирующая схема на ОУ
3. Дифференциатор и интегратор на ОУ
1. Структурная схема ОУ; достоинства ОУ
Операционный усилитель (ОУ) является основным блоком современной аналоговой электроники, поскольку позволяет конструировать на его основе самые различные аналоговые устройства. Компактность и уникальность параметров делают ОУ незаменимым при проектировании сложных аналоговых устройств.
Рис. 6.1 Структурная схема ОУ
Структурная схема ОУ показана на рис. 6.1. На входе ОУ включён дифференциальный усилитель, позволяющий устранить синфазные помехи и повысить чувствительность усилителя в целом. Далее, входной сигнал поступает на усилитель постоянного тока (УПТ), позволяющий усиливать сигнал сколь угодно низкой частоты, вплоть до нуля. С выхода УПТ сигнал поступает на усилитель мощности, а с него на согласующий каскад, снижающий выходное сопротивление ОУ.
Особенностью ОУ является двуполярное питание, обеспечивающее положение рабочей точки усилителя на уровне потенциала земли. С помощью специальных схем возможно использование ОУ и с однополярным питанием, поскольку применение двуполярного источника не всегда оправдано.
Структурная схема ОУ определяет его уникальные свойства, главными из которых являются:
- величина коэффициента усиления, имеющая порядок 106;
- высокое входное сопротивление (порядка единиц Мом);
- низкое выходное сопротивление (порядка единиц Ом).
Высокий коэффициент усиления ОУ используется для создания глубокой отрицательной обратной связи (ООС), обеспечивающей устойчивость коэффициента усиления, в частности, на различных частотах входного сигнала.
Как известно, коэффициент усиления при наличии ООС с коэффициентом β, рассчитывается по формуле:
Продифференцируем правую и левую часть этого выражения в предположении, что величина β является константой:
Это выражение показывает, что при наличии ООС отклонение величины KООС может быть намного меньше, чем отклонение величины K.
Пусть K = 106; β = 0,05, тогда
Высокое входное сопротивление ОУ позволяет осуществлять его согласование с другими устройствами. Кроме того, входные токи ОУ можно считать равными нулю, что значительно упрощает процедуру расчёта.
Специфика ОУ в том, что обратная связь в нём полностью определяет величину коэффициента усиления. Выведем формулу для коэффициента усиления ОУ при наличии ООС (без ООС усилительные схемы не имеют практического смысла).
То есть, коэффициент усиления ОУ равен обратной величине его коэффициента обратной связи.
Низкое выходное сопротивление ОУ позволяет считать его идеальным источником напряжения, это также значительно упрощает его согласование с другими устройствами.
2. Инвертирующая и неинвертирующая схемы на ОУ
Инвертирующая схема ОУ показана на рис. 6.2. Здесь резисторы R2 и R3 создают петлю ООС с коэффициентом, равным
Тогда, согласно п.1, коэффициент усиления неинвертирующей схемы будет равен
Для значений коэффициента усиления более нескольких десятков единицей можно пренебречь, считая, что он равен отношению R2 к R3.
 |
Неинвертирующая схема часто применяется в качестве усилителя напряжения, поскольку она не является инвертирующей, а значит, выходной сигнал полностью повторяет входной.
Рис. 6.2 Неинвертирующая схема на ОУ
Резистор R1 уравновешивает значения входных токов, поэтому его сопротивление должно быть таким же, как у R2 и R3, соединённых параллельно
 |
Инвертирующая схема на ОУ показана на рис. 6.3. Здесь, в отличие от предыдущей схемы, сигнал подаётся на инвертирующий вход, поэтому фаза выходного сигнала будет противоположна фазе входного сигнала. ООС в этой схеме задаётся резисторами R1 и R2.
Рис. 6.3 Инвертирующая схема на ОУ
Определим коэффициент усиления данной схемы, записав выражения для входных токов через эти резисторы, которые, ввиду малости входного тока, равны по величине и противоположные по знаку.
Тогда коэффициент усиления равен:
Здесь резистор R3, также как и в предыдущей схеме, равен сопротивлению параллельно соединённых резисторов R1 и R2.
Благодаря пропорциональности входного и выходного напряжения и резисторов R2 и R1, инвертирующая схема часто применяется в качестве вычислительной, если требуется увеличить входное напряжение в точное число раз.
 |
Кроме того, на базе данной схемы возможно микширование различных сигналов с различными коэффициентами усиления, что часто применяется в практических электронных схемах. Схема электронного микшера на ОУ показана на рис. 6.4.
Рис. 6.4 Электронный микшер на базе инвертирующей схемы
Рассуждая таким же образом, как это было сделано в предыдущем пункте, получим выражение для выходного напряжения микшера:
Таким образом, выходное напряжение данного усилителя будет представлять собой суперпозицию входных сигналов, усиленных в заданное число раз.
Резистор R5 выбирается из тех же соображений, что и раньше – равенства токов на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ по известной в электротехнике формуле:
3. Дифференциатор и интегратор на ОУ
Схемы на ОУ находят широкое применение при проектировании вычислительных аналоговых устройств. К таким схемам относятся дифференциатор и интегратор на ОУ, поскольку операции дифференцирования и интегрирования весьма распространены в современных устройствах электроники.
Дифференциатор на ОУ изображён на рис. 6.5.
Рис. 6.5 Дифференциатор на ОУ
Как было сказано выше, входные токи ОУ можно считать равными нулю, поэтому
Откуда получим:
Значит, выходное напряжение есть производная входного напряжения по времени, умноженная на коэффициент, равный CR1.
Так, если входное напряжение
а величины C и R1 равны
C = 0,1 мкФ; R1 = 1 кОм, то
Дифференциаторы применяют для определения скорости изменения каких-либо процессов при проектировании различного рода устройств слежения и автоматики.
Схема интегратора показана на рис. 6.6, и она также создана на базе инвертирующей схемы.
 |
Рис. 6.6 Схема интегратора на ОУ
Для этой схемы запишем:
Значит, выходное напряжение интегратора пропорционально интегралу от входного напряжения, рассчитанному от времени.
Интеграторы применяют для расчёта среднего значения за какой-либо промежуток времени. Действительно, если известно, в течение какого промежутка времени ∆t напряжение на выходе интегратора изменилось на величину ∆uвых, то можно записать следующее выражение для среднего значения входного напряжения:
Если подобрать значения R1 и C таким образом, чтобы они удовлетворяли условию
то изменение выходного напряжения интегратора за определённый промежуток времени ∆t будет численно равно среднему значению входного напряжения на этом промежутке.
Дата: 2019-03-05, просмотров: 417.
