Вопрос 61. Схема включения операционного усилителя в инвертирующем режиме, особенности работы.

Операционный усилитель (ОУ) является дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них ОУ имеет выводы питания: положительного и отрицательного. Эти пять выводов имеются в почти любом ОУ и принципиально необходимы для его работы.

Существуют ОУ и не имеющие одного из входов. Либо неинвертирующего (инверторы), либо инвертирующего (повторители, буферы).

ОУ может иметь и дополни­тельные выводы для балансировки и частотной коррекции. Термин «дифференциальный» означает, что на выходной потенциал ОУ влияет исключительно разность потенциалов между его входами, независимо от их абсолютного значения и полярности.

Термин «постоянного тока» означает, что усиливает ОУ входные сигналы начиная от 0 Гц. Верхний диапазон частот (частотный диапазон), усиливаемых ОУ сигналов зависит от многих причин, таких, как частотные характеристики транзисторов, из которых он состоит, коэффициента усиления схемы, построенной с применением ОУ и т.п.

Входы ОУ имеют очень большое входное сопротивление, равное десяткам/сотням МегаОм, а то и ГигаОм (в старых моделях, например К140УД1 30...50 кОм).

Столь большое сопротивление входов означает, что на входной сигнал они практически не влияют.

Поэтому с большой степенью приближения можно считать, что ток во входы ОУ не течет.

Изображают ОУ на принципиальных схемах - инвертирующий вход - символом «минус», а неинвер­тирующий - символом «плюс» внутри треугольника. Они указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы.

ОУ почти всегда используются в схемах с отрицательной обратной связью (ООС).

Обратной связью называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход, где оно алгебраически (с учетом знака) суммируется с входным напряжением. В зависимости от того, на какой вход ОУ, инвертирующий или неинвертирующий, подается ОС, различают отрицательную обратную связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход (рис.2, А) или положительную обратную связь (ПОС), когда часть выходного сигнала подается, соответственно, на неинвертирующий вход (рис.2, Б).

Рис. 2. Принцип формирования обратной связи (ОС)

Схемы включения операционного усилителя с использованием ООС.

Инвертирующее - сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется).

Напряжение на выходе ОУ, охваченном ООС, стремится к тому, чтобы потенциал на инвертирующем входе уравнялся с потенциалом на неинвертирующем входе.

Разберем схему, приведенную, при этом примем, что напряжения питания двуполярные, равные друг другу по величине (скажем, ± 15 В), со средней точкой (общая шина или «земля»). Кроме того, анализ будет проводить по постоянному току, т.к. изменяющийся переменный сигнал в каждый момент времени тоже можно представить как выборку значений постоянного тока. Обратная связь через Rоос заведена с выхода ОУ на его инвертирующий вход.

При инвертирующем включении потенциал на не инвертирующем входе равен нулю, т.к. он подключен к средней точке («земле»). Входной сигнал подан на левый вывод входного резистора R_вх. Допустим, что сопротивления R_оос и R_вх равны друг другу.

Если на вход подать напряжение отрицательной полярности, на выходе ОУ будет напряжение положительной полярности, стрелки, показывающие протекание тока через R_оос и R_вх будут направлены в противоположную сторону.

При равенстве номиналов R_оос и R_вх, напряжение на выходе ОУ будет равно напряжению на его входе по величине, но инверсное по полярности - инвертирующий повторитель.

Увеличивая номинал R_оос получим инвертирующий усилитель, выходное напряжение которого больше входного (иными словами, коэффициент усиления К_у) во столько раз, во сколько раз сопротивление R_оос больше, чем сопротивление R_вх.

К_у = - U_вых / U_вх = - R_оос / R_вх.

Вопрос 62. Включение операционного усилителя в неинвертирующем режиме, особенности работы.

Операционный усилитель (ОУ) является дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них ОУ имеет выводы питания: положительного и отрицательного. Эти пять выводов имеются в почти любом ОУ и принципиально необходимы для его работы.

Существуют ОУ и не имеющие одного из входов. Либо неинвертирующего (инверторы), либо инвертирующего (повторители, буферы).

Термин «дифференциальный» означает, что на выходной потенциал ОУ влияет исключительно разность потенциалов между его входами, независимо от их абсолютного значения и полярности.Термин «постоянного тока» означает, что усиливает ОУ входные сигналы начиная от 0 Гц. Большое сопротивление входов(равное десяткам/сотням МегаОм, а то и ГигаОм) означает, что на входной сигнал они практически не влияют.Поэтому с большой степенью приближения можно считать, что ток во входы ОУ не течет.Изображение ОУ на принципиальных схемах: неинвер­тирующий - символом «плюс» внутри треугольника. Они указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы. (рис)

При обозначении ОУ на схемах инвер. и неинвер. входы можно менять местами, если удобно, но традиционно инвер. вход изображается вверху, а неинв. - внизу. Выводы питания всегда располагают положит. вверху, а отриц. – внизу. ОУ почти всегда используются в схемах с отрицательной обратной связью (ООС) - эффект подачи части выходного напряж. усилителя на его вход, где оно алгебраически (с учетом знака) суммир-ся с входным напряжением. В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность. В зависимости от того, на какой вход ОУ, инвер. или неинв., подается ОС, различают ООС, когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход,или положит. (ПОС), когда часть выходного сигнала подается, соответственно, на неинв. вход (рис)

Выходной и входной сигналы суммируются,общее усиление каскада повышается.ПОС (учитывая собственное огромное усиление ОУ), имеет обратное влияние на характеристики схемы и может вызывать ее самовозбуждение, что используется в генераторах, компараторах с гистерезисом и т.п. В общем виде её влияние на работу усилительных схем с ОУ скорее негативное. Схема неинв. включения ОУ (сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется)).

При неинвертирующем включении (рис) левый вывод R_вх подключен к средней точке («земле»), а входной сигнал подан на неинвертирующий вход.

Примем сопротивления R_оос и R_вх равными друг другу. Если на неинвертирующем входе потенциал составляет (например +1 В), то такой же потенциал должен быть и на инвертирующем входе (показано на рисунке), а для этого на правом выводе резистора Rоос - выходе ОУ должно быть напряжение +2 В.

Токи I_вх и I_оос текут через резисторы R_оос и R_вх в обратном направлении (показаны стрелками). У нас получился неинвертирующий усилитель с усилением, равным 2, поскольку входной сигнал, равный +1 В формирует выходной сигнал, равный +2 В.

Увеличивая номинал R_оос и сохраняя баланс токов I_вх = I_оос получаем более высокие значения коэффициента усиления:

К_у = U_вых/U_вх + 1 = (R_оос/R_вх) + 1

Дата добавления: 2015-09-02