12 Примеры применения операционных усилителей

12.1 Инвертирующий усилитель постоянного тока

В инвертирующем УПТ (рис. 12.1, а) резистор R3 поставлен для улучшения температурной стабильности режима (уменьшения ошибок сдвига и дрейфа нулевого уровня) и может отсутствовать. Операционный усилитель охвачен параллельной ООС по напряжению.

Для идеального ОУ коэффициент усиления УПТ определяется соотношением (11.14) при Z1=R1, Z2=R2. Следовательно, . Такой усилитель инвертирует входной сигнал и изменяет его масштаб пропорционально отношению сопротивлений резисторов в цепи обратной связи. В измерительной технике его называют масштабным усилителем.

Относительная погрешность коэффициента усиления за счет неидеальности резисторов (учитывающая их технологические и температурные погрешности и)

где – относительная погрешность резисторов.

Для повышения точности масштабного усилителя в цепи ООС используются прецизионные резисторы с одинаковыми температурными коэффициентами сопротивления.

С учетом конечности коэффициента усиления K реального ОУ (см. сигнальный граф, представленный на рис. 12.1, б) уточненное значение K_ОС можно записать в виде

.

Относительная погрешность K_ОС за счет нестабильности коэффициента усиления K операционного усилителя зависит от глубины обратной связи :

,

где – относительная нестабильность коэффициента усиления операционного усилителяK. При изменении температуры окружающей среды на десятки градусов она может составлять десятки процентов.

Например, при получаем

.

Возможная величина сдвига нулевого уровня (значение выходного напряжения при нулевом входном напряжении УПТ) определяется напряжением смещения и входными токами реального ОУ (эквивалентная схема для расчета этого параметра приведена на рис. 12.2):

. (12.1)

Резистор R3 вводится в усилитель с целью уменьшить погрешность сдвига от входных токов I₊ и . В случае равенства этих токов полная коррекция погрешности достигается при. Однако в общем случае входные токи ОУ не равны друг другу. Имеется не равный нулю разностный входной ток. Поэтому при выполнении условия компенсации можно записать соотношение (12.1) в виде

.

С помощью балансировки нуля при комнатной температуре погрешность сдвига можно скорректировать до нуля. Но при изменении температуры окружающей среды может появиться погрешность дрейфа за счет температурной нестабильности и(– диапазон изменения температуры):

.

Входное сопротивление УПТ (как усилителя с параллельной ООС)

.

Выходное сопротивление УПТ (как усилителя с ООС по напряжению)

.

Если передаточная функция операционного усилителя описывается выражением

,

где – постоянная времени ОУ, то передаточную функцию инвертирующего УПТ можно записать в виде

.

Верхняя граничная частота полосы пропускания УПТ на уровне 3 дБ определяется соотношением .

Она тем меньше, чем больше коэффициент усиления УПТ.

12.2 Неинвертирующий усилитель постоянного тока

В неинвертирующем УПТ (рис. 12.3, а) операционный усилитель охвачен последовательной ООС по напряжению. С учетом конечности величины К реальных ОУ сигнальный граф неинвертирующего УПТ можно представить в виде, показанном на рис. 12.3, б.

б

Для идеального ОУ коэффициент усиления равен (см. выражение 11.15 приZ1=R1, Z2=R2) .

Коэффициент усиления УПТ с учетом конечности К . Относительная погрешность коэффициента усиления УПТ за счет неидеальности резисторов в цепи ОС

.

Входное сопротивление неинвертирующего УПТ (оно существенно больше входного сопротивления инвертирующего УПТ за счет последовательной ООС по напряжению)

Соотношения для оценки сдвига и дрейфа нулевого уровня такие же, как для инвертирующего УПТ (сравните схемы рис. 12.1 и рис. 12.2 при закороченном U_вх):

при ;

.

Не отличаются от выражений, полученных для инвертирующего УПТ, соотношения для оценки выходного сопротивления и полосы пропускания неинвертирующего УПТ:

и .

Достоинство неинвертирующего УПТ – большое входное сопротивление, недостаток по сравнению с инвертирующим – дополнительная погрешность сдвига за счет синфазного сигнала на входе ОУ: .

Идеальным согласующим элементом является повторитель напряжения (рис. 12.4). Это частный случай неинвертирующего УПТ при

.

Для него основные соотношения можно записать в следующем виде:

; ;;;;;;.

Повторитель напряжения обладает большим входным сопротивлением (практически бесконечным), практически нулевым выходным сопротивлением, широкой полосой пропускания, малой величиной сдвига и дрейфа нулевого уровня.