Основные схемы включения ОУ

В схеме на рис. 86,а входное напряжение подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход подается выходное напряжение. Очевидны следующие соотношения: или . Дробь мала по отношению к единице, поэтому можно записать , т. е. выходное напряжение для данной схемы практически равно входному. Поэтому данную схему называют повторителем напряжения. Особенностью данной схемы является высокое входное сопротивление, определяемое входным сопротивлением ОУ, которое обычно превышает единицы МОм. В силу этого повторитель широко используется в качестве буферного каскада.

а)	б)
Рис. 86

В схеме, показанной на рис. 86,б, входное напряжение также подается на неинвертирующий вход, однако выходное напряжение подается на инвертирующий вход через делитель, составленный из резисторов и . В силу высокого входного сопротивления ОУ через эти резисторы течет одинаковый ток, поэтому к инвертирующему входу будет приложено напряжение . Тогда можно записать, что , откуда с учетом большого полного коэффициента усиления ОУ, следует:

.

Таким образом, выходное напряжение связано с входным посредством коэффициента усиления:

,

(14)

называемого коэффициентом усиления ОУ с обратной связью. Подача части выходного напряжения на инвертирующий вход ОУ является вариантом ООС. Коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется только соотношением резисторов, образующих цепь обратной связи* и не может быть меньше единицы.

В случае гармонического входного сигнала его фаза совпадает с фазой выходного сигнала, поэтому данную схему называют неинвертирующим усилителем. Данная схема отличается высоким входным сопротивлением, определяемым входным сопротивлением ОУ. Рассмотренный выше повторитель является вариантом неинвертирующего усилителя.

Рис. 87	л11р5

На рис. 87 показана иная схема охвата ОУ обратной связью. Неинвертирующий вход в данной схеме заземлен. На инвертирующий вход подаются входной сигнал и сигнал обратной связи.

Точка соединения резисторов называется потенциально заземленной, т. к. напряжение на ней отличается от потенциала общего провода («земли») на величину напряжения , которое очень мало.

Из-за большой величины входного сопротивления ОУ можно считать, что токи, протекающие через резисторы, равны: . Ток через первый резистор определяется выражением:

,

а через второй резистор —

.

Приравняв последние два выражения и произведя простые преобразования, получим выражение, связывающее выходное и входное напряжения:

.

Следовательно, коэффициент усиления рассматриваемой схемы равен:

.

Коэффициент усиления определяется только соотношением резисторов, образующих цепь обратной связи и может быть как меньше, так и больше единицы.

В случае гармонического входного сигнала его фаза будет отличаться от фазы выходного сигнала на 180°, поэтому данную схему называют инвертирующим усилителем. Входное сопротивление данной схемы равно величине резистора и существенно меньше входного сопротивления неинвертирующего усилителя.

Следующая схема называется усилителем с дифференциальным входом и объединяет в себе ранее рассмотренные схемы неинвертирующего и инвертирующего усилителей (рис. 88,а). Будем считать, что входное напряжение является разницей напряжений и . В силу большого входного сопротивления ОУ токи через и , и будут определяться следующими выражениями:

а)	б)
Рис. 88

Приравнивая токи, текущие через резисторы и , записывая выражение для напряжения на резисторе () и пренебрегая напряжением , получаем выражение, связывающее выходное и входные напряжения:

.

(15)

В схеме должно обеспечиваться равенство коэффициентов усиления по инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ, т. е. должно выполняться следующее условие:

Последнее равенство будет выполняться, если

.

(16)

В распространенном на практике случае, когда и , равенство (16) выполняется автоматически, а формула (15) существенно упрощается:

.

В системах автоматики рассматриваемая схема усилителя с дифференциальным входом широко используется для получения сигналов с датчиков, включенных по мостовой схеме (рис. 88,б). Если измерительный мост сбалансирован, т. е. сопротивление датчика температуры будет равно сопротивлению , то напряжение в точках А и Б будет равно нулю. Следовательно, напряжение на выходе усилителя также будет отсутствовать. При изменении сопротивления датчика мост будет разбалансирован, что приведет к появлению выходного напряжения. В качестве источника питания мостовой схемы в зависимости от типа датчика может выступать источник как постоянного, так и переменного напряжения. Соответственно, на выходе усилителя будет присутствовать постоянное или переменное напряжение.

Показанная на рис. 88,а схема усилителя имеет недостатки, ограничивающие ее применение. В частности, схема имеет невысокое входное сопротивление, определяемое величинами резисторов , , , . В силу этого к усилителю затруднительно подключить датчики с невысоким внутренним сопротивлением, например, проволочные тензодатчики. Другим недостатком является необходимость изменения сопротивлений как минимум двух резисторов (например, и ) для изменения коэффициента усиления схемы. На рис. 89 показана усовершенствованная схема, в которой устранены отмеченные недостатки. Данная схема относится к классу измерительных усилителей.

  Рис. 89

Рис. 90	лр7р1

Высокое входное сопротивление схемы обеспечивают буферные повторители на ОУ DA1 и DA2. При выполнении условия связь выходного напряжения с входными определяется выражением , т. е. коэффициент усиления линейно зависит от величины сопротивления .

Рассмотрение основных схем включения ОУ продолжим схемой суммирующего усилителя. Она строится на основе схемы инвертирующего усилителя и имеет вид, показанный на рис. 90. Схема способна выполнять математическую операцию сложения для трех сигналов. Рассмотрим принципы работы данной схемы. Примем, что . Однако в данной схеме , поэтому . В этом случае для инвертирующего входа ОУ, исходя из первого закона Кирхгофа, можно записать: , откуда легко получить зависимость выходного напряжения от входных напряжений: . Из полученного выражения видно, что выходной сигнал является инверсной суммой усиленных (ослабленных) входных сигналов. Величину усиления (ослабления) каждого входного сигнала задает соответствующий масштабный коэффициент . В общем случае количество входных сигналов может быть произвольным, и можно записать: .

На рис. 91 показана схема усилителя, в которой несколько напряжений подаются на оба входа ОУ. Это позволяет получить на выходе напряжение, как функцию операций сложения и вычитания входных напряжений. Схема на рис. 91 является развитием схемы усилителя с дифференциальным входом (рис. 88,а) и называется схемой сложения-вычитания. Количество напряжений, подаваемых на каждый вход, может быть любым и определяется видом математической зависимости, которую должна выполнять схема.

Условие (16) применительно к схеме сложения-вычитания, показанной на рис. 91, можно переписать в следующем виде:

.

(17)

Каждое выражение по обе стороны от знака равенства в данной формуле представляет собой коэффициент передачи схемы по соответствующему входу.

Для обеспечения работоспособности усилителя требуется, чтобы сумма коэффициентов передачи по инвертирующему входу (справа от знака равенства) равнялась сумме коэффициентов передачи по неинвертирующему входу (слева от знака равенства).

Для показанной на рис. 91 схемы, в которой производится сложение двух сигналов и вычитание двух сигналов, выходное напряжение определяется следующим выражением:

.

Рис. 91	лр7р2

На практике может оказаться, что при обеспечении требуемых масштабных коэффициентов передачи условие (17) не выполняется. В этом случае говорят, что схема несбалансированна. Обеспечение баланса легко осуществить введением в схему дополнительного входа, на который подается нулевой сигнал. Данный вход добавляется к той половине усилителя (инвертирующей или неинвертирующей), суммарный коэффициент усиления для которой меньше. На рис. 91 пунктиром показано подключение дополнительного резистора, предназначенного для балансировки схемы, для случая, когда дополнительное усиление требуется по инвертирующему входу. Величина этого резистора рассчитывается из условия обеспечения равенства усиления по инвертирующим и неинвертирущим входам. Применительно к показанному на рис. 91 случаю, данное условие будет иметь следующий вид:

.

Если в схеме сложения-вычитания входные сигналы подавать только на неинвертирующий вход ОУ, то получим схему неинвертирующего сумматора.

Полученные выше выражения, связывающие выходные и входные напряжения для рассмотренных выше основных схем, справедливы для идеального усилителя, обладающего бесконечным усилением. Однако реальные ОУ обладают хотя и значительным, но конечным усилением. Поэтому в некоторых практических случаях приходится рассчитывать коэффициенты усиления схем с учетом конечности коэффициента усиления реального ОУ.

Для всех рассмотренных схем резисторы в цепи ОС должны выбираться так, чтобы суммарных ток, потребляемый нагрузкой усилителя и текущий через цепь ОС, не превышал предельно допустимого тока используемого ОУ.

Анализируя рассмотренные выше схемы усилителей, построенных с использованием ОУ, можно сформулировать принцип функционирования ОУ в этих схемах: операционный усилитель стремится изменить напряжение на своем выходе таким образом, чтобы напряжения на его инвертирующем и неинвертирующем входах уравнялись.

Дата добавления: 2015-07-14