2.16. 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, поэтомуU_H= 0. Входной сигналU_BX1, подается через резисторR1 на И-вход ОУ. На этот же вход по цепи ОС через резисторR_OC поступает напряжение с выхода ОУ:U_OC = –K_OCU_ВЫХ. КоэффициентK_OC показывает, какая часть выходного напряжения передается на вход усилителя:K_OC =R₁/(R₁+R_OC).

Определим основной параметр усилителя: К_уИ =U_BЫX/U_BX1. Полагая, что ОУ имеет идеальные параметры (К_уОУ= ∞,Z_вхОУ= ∞), принимаем напряжение между входными зажимами ОУU_BX.Д=U_H–_И=U_H –U_И=0. Отсюда следует, чтоU_И=U_H, а так какU_Н=0, то потенциал И-входа (U_И) инвертирующего усилителя будет равен нулю.

Определим входной ток I₁, и ток ОСI_OC(рис. 2.45, а). При подаче на вход 1 сигналаU_BX1положительного знака

(2.27)

(2.28)

Поскольку у идеального ОУ I_BX= 0, тоI_OC=I₁(I₁– входной ток схемы). Подставив значения токов из (2.27) и (2.28), получим:U_BX1/R₁= –U_BЫX/R_OC. Отсюда находим

К_уИ = –U_BЫX/U_BX1= –R_OC/R₁. (2.29)

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется только отношением сопротивлений иепи ОС (R_OC) 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 1 инвертирующего усилителя (участок АВ на рис. 2.45, в), гдеU_BЫX= –К_уИU_BX1, идет ниже линейной части 2 характеристики ОУ, поскольку К_уИ<<К_уОУи имеет больший линейный участок. Изменяя соотношениеR_OC иR₁, можно изменять значение К_уИ и проходную характеристику.

При R_OC=R₁/ К_уИ= 1 инвертирующий ОУ превращается в повторительU_BX1изменением его знака:U_BЫX= –U_ВХ1.

Входное сопротивление схемы инвертирующего ОУ R_BX=U_BX1/I_BX; с учетом того, что потенциалU_И= 0,U_BX=U_BX1,

а входной ток I_BX=I₁, поэтомуR_BX =U_BX1/I₁=R₁, как правило, оно значительно меньшеR_вхОУ.

Приближенно выходное сопротивление схемы определяется по формуле [34]:

(2.30)

Поскольку К_уОУвелико,R_вхИимеет 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 U_H–_И= 0).

Неинвертирующий операционный усилительвыполняется по схеме с ООС по напряжению (рис. 2.46). Входной сигналU_BX подается на Н-вход операционного усилителя. Напряжение ОСU_ОС снимается с делителя напряжения, образованного резисторамиR₁–R_ОС и заводится на И-вход. Поскольку напряжение между входами ОУ Н и И равно разности их потенциалов, то под действием ОС на входе усилителя появится результирующее дифференциальное напряжениеU_BX.Д=U_H –U_И=U_ВХ –U_ОС.

В этой схеме ОС действует как ООС, противодействуя U_ВХ. ЗначениеU_ОСможно определить как падение напряжения от токаI₁=U_BЫX/(R₁+R_OC) в резистореR₁, т. е.U_ОС=U_BЫX×=K_OCU_ВЫХ.

Из схемы рис. 2.46 видно, что

U_ВЫХ = I₁R₁ + I_OCR_OC. (2.31)

Полагая, что ОУ идеален, считаем, что I_вхОУ= 0 и, следовательно,I_OC.ОУ=I₁. При этом, как следует из схемы включения (рис. 2.46),I₁=U_BX/R₁, поэтомуI_OC=I₁=U_BX/R₁.

Подставив значения I₁иI_OCв (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 К_уНне зависит от изменения параметров элементов, входящих в ОУ, и является стабильной величиной.

Проходная характеристика неинвертирующего усилителя приведена на рис. 2,47. Она располагается в IиIIIквадрантах комплексной плоскости, так как знакиU_BЫX иU_BXсовпадают. Наклон линейной части характеристики определяется значением К_уН: чем меньше К_уН, тем больше линейная часть и диапазонU_BX, при котором схема работает как линейный усилитель.

Особенностью неинвертирующего усилителя является очень большое входное сопротивление R_BX (до сотен мегаом). Выходное сопротивлениеR_ВЫХ = 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 (U_BX1иU_BX2). Такой усилитель используется для вычитания одного входного сигнала из другого (например,U_BX1–U_BX2):

U_выхДУ= К_ДУ(U_BX2–U_BX1) (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 сигналU_BX1а через резисторR_OC– цепь ООС, в то же время на Н-вход, по аналогии с неинвертирующим усилителем (см. рис. 2.46), подается входное напряжениеU_BX2и ООС, приходящая с И-входа. В отличие от схемы на рис. 2.46, напряжениеU_BX2снимается и заводится на Н-вход с резистораRЗ делителя напряжения резисторовR2 иR3, 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 U_BX1с коэффициентом К_уИ =R_OC/R₁ приU_BX1= 0, и второго, в результате усиленияU_BX2, поступающего на Н-вход (2.35), с коэффициентомприU_BX1= 0. В соответствиии с этим получим

(2.36)

Чтобы рассматриваемая схема работала как вычитатель, коэффициенты усиления при U_BX2иU_BX1должны быть равны. Для выполнения этого условия сопротивления резисторов в (2.36) выбираются исходя из следующих соотношений:

R₂ = R₁; R₃ = R_OC. (2.37)

Приняв сопротивления резисторов в выражении (2.36) по (2.37), получим

(2.38)

Здесь R_OC/R₁, является коэффициентом преобразования (усиления)U_BX2 иU_BX1. Рассмотренная схема работает как вычитатель.