Неинвертирующий сумматор

В схеме неинвертирующего сумматора (рис. 8.20) при выполнении условия:

выходное напряжение определяется следующим образом:

.

Если сопротивления в цепях одинаковы

R_ос' = R₁' = R₂',

то выходное напряжение равно:

U_вых= U₁+ U₂.

При суммировании n входных сигналов с весовыми коэффициентами обязательно соблюдение условия:

,

где n - число входов.

Схема сложения-вычитания

Схема сложения-вычитания(рис. 8.21) представляет собой обобщение схемы усилителя с дифференциальным входом. Общее выражение для выходного напряжения схемы сложения вычитания очень громоздкое, рассмотрим условия необходимые для правильной работы этой схемы.

Эти условия сводятся к тому, чтобы сумма коэффициентов усиления инвертирующей части схемы была равна сумме коэффициентов усиления ее неинвертирующей части. То есть инвертирующий и неинвертирующий коэффициенты усиления должны быть сбалансированы.

Символически это можно выразить следующим образом:

,

где m - число инвертирующих входов, n - число неинвертирующих входов.

Отсюда имеем:

Интегратор

И

Рис. 8.22. Схема инвертирующего интегратора на ОУ с использование емкости

нтегратором называется электронный усилитель, выходной сигнал которого пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала. Интегратор представляет собой линейную схему на ОУ, в цепи отрицательной обратной связи которой применен реактивный элемент (индуктивность или емкость). Для построения активного интегратора может использоваться как инвертирующее, так и неинвертирующее включение ОУ (рис. 8.22).

Если ОУ близок к идеальному, то есть полагать, что потенциалы его инверсного и прямого входов одинаковы, а входные токи равны нулю, тогда, как и для инвертирующего усилителя,

и ,

а ток через конденсатор и напряжение на нем связаны известным соотношением:

.

Подставляя в последнее выражение ток конденсатора, получим:

,

где знак «минус» отражает свойство схемы интегратора инвертировать фазу.

Дифференциатор

Простейший дифференциатор, выполненный на ОУ (рис. 8.23) является инвертирующим усилителем, во входную цепь которого включен конденсатор. Дифференциатор создает на выходе напряжение, пропорциональное скорости изменения входного.

При дифференцировании усилитель должен пропускать только переменную составляющую входного напряжения, и коэффициент усиления дифференцирующей схемы должен возрастать при увеличении скорости изменения входного сигнала.

Работу дифференциатора можно проанализировать так же, как интегратора. Но теперь уже , а. Поэтому, учитывая, что

,

получим

.

К сожалению, схема, представленная на рис. 8.23, неустойчива, в ней наблюдаются шумы высокой частоты. Для устранения этих недостатков схему усложняют, вводя в нее два резистора и, и конденсатор(рис. 8.24).

Логарифмический усилитель

Для получения логарифмической характеристики усилителя необходимо иметь устройство с логарифмической характеристикой и включать его в цепь обратной связи. Устройством, обладающим такой характеристикой, является полупроводниковый p-n-переход.

Ток через полупроводниковый диод равен:

, (8.1)

где I₀ - тепловой обратный ток утечки диода, e – заряд электрона (1,6Кл), U – напряжение на диоде, k – постоянная Больцмана (1,38Дж/К), Т – абсолютная постоянная температура в Кельвинах.

При температуре 25 ^оС значение теплового потенциала φ_т составляет 26 мВ. Поэтому при U>>φ_твыражение (8.1) можно упростить:

. (8.2)

Аналогично можно записать выражение для коллекторного тока транзистора с ОБ:

, (8.3)

где U_бэ - напряжение «эмиттер – база», I_эо - ток перехода «эмиттер – база» при небольшом обратном смещении.

Как диод, так и транзистор можно использовать для получения логарифмической зависимости (рис.8.25).

Ч

Рис.8.25. Схема логарифмического усилителя с диодом

тобы показать, каким образом диод в цепи ОС формирует логарифмическую характеристику решим уравнение (8.1) относительно напряжения на диоде (U_д), учитывая, что U_д = U_вых.

Из уравнения (8.2), получим:

,

откуда,

.

Так как

,

следовательно,

Рис. 8.26. Схема логарифмического усилителя с биполярным транзистором

;

.

Логарифмический усилитель имеет выходное напряжение только одной полярности, которая определяется направлением включения диода.

Для получения большого диапазона входного напряжения можно использовать в качестве логарифмического элемента в цепи ОС транзистор, включенный по схеме с ОБ (рис. 8.26). Так как I_к = -I_R, решая уравнение (8.3) относительно U_бэ, получим:

.

Выходное напряжение схемы будет отрицательно при положительном выходном напряжении.

В схеме логарифмической зависимости напряжение U_бэ = F(I_к) используется для получения выходного напряжения, пропорционального логарифму положительного напряжения.

Для получения антилогарифмического (экспоненциального) усилителя в рассмотренных схемах полупроводниковый прибор и резистор необходимо поменять местами (рис. 8.27). Для этих схем иожно записать выражение для выходного напряжения:

U_вых = -R·I₀·exp(U_вх / φ_т).