12.3 Дифференциальный упт

Выходное напряжение устройства, представленного на рис. 12.5, определяется соотношением

.

При одинаковом отношении сопротивлений

(12.2)

получаем , т.е. напряжение на выходе УПТ пропорционально разности входных напряжений и усилитель становится дифференциальным.

Напряжение смещения и входные токи реального ОУ вызовут в этом усилителе сдвиг выходного напряжения на величину

.

Сдвиг за счет входных токов уменьшается при выполнении условия

. (12.3)

Одновременное выполнение условий (12.2) и (12.3) обеспечивается при равенстве сопротивлений R1=R3 и R2=R4. В этом случае сдвиг имеет минимальное значение .

Недостатками простой схемы дифференциального усилителя являются малое входное сопротивление и трудность регулировки коэффициента усиления. От этих недостатков свободен измерительный усилитель (рис. 12.6). Неинвертирующее включение DA1 и DA2 обеспечивает большое входное сопротивление по обоим входам. Разность потенциалов (U₃ – U₄) можно определить как

Выходное напряжение повторяет эту разность:

Следовательно:

Входные сопротивления по обоим входам можно считать равными бесконечности. С помощью переменного сопротивления eR можно плавно менять коэффициент усиления измерительного усилителя. При реализации усилителя в виде интегральной микросхемы требуется подключение только переменного резистора eR.

12.4 Аналоговый сумматор

Схема, приведенная на рис. 12.7, позволяет просуммировать три аналоговых входных напряжения . Так как инвертирующий вход ОУ является точкой кажущейся земли (), можно определить токи во входных цепях. Так как входное сопротивление идеального ОУ равно бесконечности, суммарный ток протекает черези создает на нем падение напряжения

т.е. выходное напряжение пропорционально сумме вход-ных напряжений (с соответствующими масштабными коэффициентами).

Для уменьшения влияния входных токов ОУ между неинвертирующим входом и общим выводом желательно поставить сопротивление . Тогда погрешность сдвига и дрейфа выходного напряжения можно определить по формулам:

.

12.5 Аналоговый интегратор

Для идеального операционного усилителя кооэффициент передачи устройства, показанного на рис. 12.8, а, определяется соотношением

, (12.4)

где – постоянная времени.

Передаточная функция (12.4) соответствует идеальному интегратору. ЛАЧХ его коэффициента передачи идет с наклоном –20 дБ/дек, пересекая ось абсцисс при . Для интегратора справедливы соотношения:ипоэтому

Оценим петлевое усиление контура ООС в интеграторе с учетом конечности коэффициента передачи реального ОУ

,

где – передаточная функция операционного усилителя;

–коэффициент передачи цепи обратной связи.

Для реального ОУ передаточную функцию интегратора можно записать в виде

. (12.5)

ЛАЧХ реального интегратора, построенная по выражению (12.5), приведена на рис. 12.8, б (там же пунктиром изображена ЛАЧХ ОУ). Ниже частоты она идет на уровнеК дБ, а выше частоты единичного усиления ОУ увеличивает наклон до –40 дБ/дек. Таким образом, полоса рабочих частот реального интегратора отличается от идеального интегратора (у него ЛАЧХ сохраняет наклон –20 дБ/дек на всех частотах) на низких частотах за счет конечности величины коэффициента усиления операционного усилителя К, на высоких – за счет конечной величины частоты единичного усиления f₁ реального ОУ.

Ошибку смещения нуля можно определить как напряжение на выходе схемы рис. 12.8, в при размыкании ключа S:

.

Следовательно, после создания нулевых начальных условий напряжение на конденсаторе линейно нарастает, пока ОУ не перейдет в насыщение. Эта ошибка ограничивает максимальное время интегрирования. Для ее уменьшения необходимо или периодически разряжать С аналоговым ключом (так поступают при интегрировании импульсных сигналов), или параллельно С поставить резистор R1 (так поступают при интегрировании синусоидальных сигналов). В последнем случае , но полоса рабочих частот сужается (отдоf_1, тогда как раньше интегрирование было возможно от доf₁₎.

Переходная характеристика интегратора представляет собой линейно изменяющееся напряжение, идущее с наклоном минус , где– амплитуда ступеньки, подаваемой на вход. Это свойство интегратора используется в генераторе прямоугольного и треугольного напряжений, схема которого приведена на рис. 12.9,а. Операционный усилитель DA1 работает как компаратор, переключаясь с +Е к –Е всякий раз, когда напряжение на неинвертирующем входе, изменяющееся за счет работы интегратора DA2, переходит нулевое значение.

При отрицательном напряжении на выходе DA1 (U_вых1 = –Е) напряжение на выходе интегратора линейно нарастает со скоростью E/t. Когда выполняется условие U_вых2 / R2 = U_вых1 / R1, т.е. при U_вых2 = E / 2, схема переключается в другое состояние и напряжение на выходе интегратора с той же скоростью изменяется в противоположном направлении до –E / 2 (рис. 12.9, б).

Из условия получаем соотношение для оценки периода генерируемых колебаний.