1   2   3   4   5   6
Ім'я файлу: electron_techn.doc
Розширення: doc
Розмір: 3545кб.
Дата: 14.06.2022
скачати
§4.9 Линейные схемы на операционных усилителях
Рассмотрим инвертирующий усилитель (рис. 1). В этой схеме имеет место параллельная отрицательная обратная связь по напряже­нию. Найдем коэффициент усиления по напряжению. Полагая опера­ционный усилитель идеаль­ным, на основании первого закона Кирхгофа запишем:




iВХ + iОС = 0

Поскольку неинверти­рующий вход операционного усилителя имеет нулевой по­тенциал, то и инвертирующий вход также будет иметь нуле­вой потенциал, хотя он и не

заземлен. Говорят, что инвертирующий вход является точкой вирту­ального (кажущегося) нуля. Тогда



Отсюда находим



Мы полагали, что входные токи операционного усилителя равны нулю. В реальных операционных усилителях входные токи малы, но нулю не равны. Оценим влияние входных токов на работу усилителя. Пусть uВХ = 0. Для входного тока операционного усилителя IВХ.И и рези­сторы R1 и R2 включены параллельно. Ток IВХ.И создаст на них паде­ние напряжения
UВХ.И = IВХ.И(R1 || R2).
Это напряжение будет усилено операционным усилителем, т.е. входной ток IВХ.И приводит к разбалансировке операционного усили­теля. Чтобы уменьшить влияние входных токов в цепь неинверти­рующего входа включают компенсирующий резистор RК = R1 || R2 (рис. 2). Тогда ток IВХ.И создаст на резисторе RK падение напряжения UВХ.Н = IВХ.НRК.


Дифференциальное напря­жение на входе операционного усилителя


Если разность входных то­ков ∆IВХ = 0, то Uвх = 0, т. е. в схеме будет иметь место полная компенсация входных токов.

Реально ∆IВХ = (0,1 ÷ 0,2)IВХ. Тогда введение RK уменьшает разбалансировку усилителя в 5÷10 раз.

На основе инвертирующего включения операционного усилителя может быть построен аналоговый сумматор (рис. 3). Найдем зависимость



выходного на­пряжения аналогового сумматора uВЫХ от входных напряжений uВХ1, uВХ2, uВХ3, пола­гая операционный уси­литель идеальным. Со­гласно первому закону Кирхгофа
iВХ1 + iВХ2 + iВХ3 + iОС = 0
Принимая во внимание, что инвертирующий вход операционного усилителя является точкой виртуального нуля, получим






Отсюда

Е сли R1 = R2 = R3 = R, то




Из последних соотношений следует, что схема рис. 3 выполняет математическую операцию суммирования, при этом масштабный ко­эффициент может быть единичным, может быть неединичным и мо­жет быть индивидуальным по каждому из входов.

Сопротивление компенсирующего резистора в схеме рис. 3 может быть определено из соотношения Очевидно, что аналоговый сумматор может иметь произвольное количество входов.

Инвертирующее включение операционного усилителя использу­ется также в преобразователе ток - напряжение (рис. 4). Найдем зависимость выходного напряжения преобразователя uВЫХ от входно­го тока IВХ.



На основании первого закона Кирхгофа при условии, что опера­ционный усилитель идеальный, запишем:

Поскольку инвертирующий вход операционного усилителя яв­ляется точкой виртуального нуля, то






Разрешив последнее уравнение относительно uВЫХ, получим

откуда следует, что выходное напряжение uВЫХ преобразователя про­порционально входному току iВХ. Сопротивление компенсирующего резистора RK должно равняться сопротивлению резистора R в цепи обратной связи (рис. 4). Рассмотренный преобразователь ток-напряжение широко используется в составе цифро-аналоговых преоб­разователей.

На основе инвертирующего включения операционного усилителя может быть построен преобразователь напряжение - ток (рис. 5). Найдем зависимость выходного тока преобразователя iВЫХ от входного напряжения uВЫХ.
Согласно первому закону Кирхгофа, полагая операционный усилитель идеальным, можно за­писать:

iВХ + iОС = 0

Поскольку инвертирующий вход операционного усилителя является точкой виртуального нуля, то






Из последнего соотношения находим:

т.е. выходной ток преобразователя iВЫХ пропорционален входному напряжению uВХ.

В схеме рис. 5 ни один из выводов нагрузки RH не заземлен. В этом случае говорят, что преобразователь имеет незаземленную на­грузку. Сопротивление компенсирующего резистора RK = R || RH.

Рассмотрим неинвертирующий усилитель (рис. 6). В этой схеме имеет место последовательная отрицательная обратная связь по напряжению, которая увеличивает входное сопротивление и уменьша­ет выходное сопротивление усилителя. Найдем коэффициент усиле­ния по напряжению. Если на неинвертирующий вход подано напряжение

uВХ.Н = uВХ, то и на инвер­тирующем входе установится то же самое напряжение: uВХ.И = uВХ, т.е.


Если R2 = 0, а R1 = ∞, то KU = 1. Такую схему называют повторителем напряжения (рис.7).

Неинвертирующий усилитель хуже инвертирующего, так как операционный усилитель работает в нем с большим син­фазным напряжением (uВХ.СФ = uВХ).
Рассмотрим дифференциальное включение операционного усилителя, которое представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего включений (рис. 8). При дифференциаль­ном включении операционного усилителя выходное напряжение про­порционально разности напряжений uВХ2 и uВХ1 на его входах.

Используя метод суперпозиции (наложения), находим выходное напряжение усилителя как сумму откликов на воздействия uВХ1 и uВХ2:




Отсюда видно, что опера­ционный усилитель в дифференциальном включении осуществляет математиче­скую операцию вычитания.

Входное сопротивление по инвертирующему входу rВХ1 = R1. Входное сопротивление по неинвертирующему входу rВХ2 = R3 + R4, т.е. входные сопротивления неодинаковы: rВХ2 > rВХ1. Это нарушает сим­метрию усилителя. Еще одним недостатком рассмотренной схемы яв­ляется работа операционного усилителя при больших синфазных на­пряжениях. Существуют схемы дифференциальных усилителей, сво­бодные от указанных недостатков схемы рис. 8, но они содержат два или три операционных усилителя.

Рассмотрим интегрирующий усилитель (рис. 9). Полагая опе­рационный усилитель идеальным, на основании первого закона Кирх­гофа запишем:




Поскольку неинверти­рующий вход операционного усилителя имеет нулевой по­тенциал, то инвертирующий вход будет точкой виртуаль­ного нуля. Тогда

После интегрирования последнего уравнения получим:




Отсюда следует, что рассмотренная схема осуществляет матема­тическую операцию интегрирования.

Поскольку амплитудно-частотная характеристика интегрирующе­го усилителя имеет завал в области высоких частот, то он устойчив к самовозбуждению.

Рассмотрим дифференцирующий усилитель (рис. 10). Пола­гая операционный усилитель идеальным, на основании первого закона Кирхгофа запишем:
iВХ + iОС = 0.
Принимая во внимание, что инвертирующий вход будет точкой виртуального нуля, получим



т.е. рассмотренная схема осу­ществляет математическую
операцию дифференцирования.
На практике избегают применения дифференцирующего усилите­ля из-за его склонности к самовозбуждению, что является следствием подъема амплитудно-частотной характеристики в области высоких частот.

В схемах рис. 9 и рис. 10 в цепи неинвертирующего входа также может быть включен компенсирующий резистор, сопротивление ко­торого RK = R.




- -



1   2   3   4   5   6

скачати

© Усі права захищені
написати до нас