2416

генерация сигналов различной формы и т.д.). ОУ часто выполняют многокаскадными с непосредственными связями. На входе ОУ включается дифференциальный усилительный каскад для уменьшения дрейфа нуля, затем – промежуточные усилительные каскады для получения необходимого усиления и на выходе – повторитель напряжения для уменьшения выходного сопротивления усилителя. Разработка ОУ – сложная задача. До появления микроэлектронных устройств ОУ содержали десятки транзисторов и других дискретных элементов. Сейчас это не затрудняет практического применения ОУ, так как они изготовляются в виде интегральных микросхем.

выводы питания на схеме не изображают, чтобы не загромождать её несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или считается очевидным. Наиболее часто встречающиеся схемные обозначения ОУ показаны на рис. 10.40.

∞

+

Рис. 10.40. Наиболее часто встречающиеся схемные обозначения ОУ

Один из входов, обозначенный знаком «+», называют неинвертирующим (прямым), так как сигнал на выходе и сигнал на этом входе имеют одинаковую полярность. Второй вход, обозначенный знаком «–» (его также обозначают знаком инверсии «o»), называют инвертирующим, так как сигнал на выходе по отношению к сигналу на этом входе имеет противоположную полярность.

260

Основные характеристики ОУ:

–высокий коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода Коу=104–105;

–большое входное сопротивление Rвх=104–107 Ом;

–малое выходное сопротивление Rвых=10–50 Ом.

Эти свойства обеспечивают возможность каскадного включения ОУ, высокую точность выполнения операций и универсальность применения. Обычно ОУ охватывают отрицательной обратной связью с выхода на инвертирующий вход.

Дифференциальное напряжение на входе ОУ

Uдиф= Uвх+–Uвх–. (10.22)

При синфазном входном сигнале (рис. 10.41, а), когда Uсф=Uвх+=Uвх–, дифференциальное напряжение Uдиф=0. ОУ конструируют так, чтобы они как можно больше изменяли Uвых при изменении

Uдиф и как можно меньше изменяли Uвых при Uдиф=0. Если модуль |Uсф| сравнительно мал, то синфазный сигнал слабо влияет на напряжение

Uвых. Иначе его влияние, как следует из графика (рис. 10.41, б), может быть очень существенным. Если синфазный сигнал оказывается чрез-

мерно большим по модулю, то операционный усилитель может выйти из строя.

Рис. 10.41. Схема подключения ОУ к синфазному сигналу (а) и график зависимости выходного напряжения ОУ от синфазного сигнала

Влияние синфазного сигнала при его малых по модулю значениях характеризуют коэффициентом усиления синфазного сигнала Kсф и коэффициентом ослабления синфазного сигнала Kос.сф.

Коэффициент Коу всегда положителен. Коэффициенты Kсф и Kос.сф могут быть как положительными, так и отрицательными. Коэффици-

261

ент Kсф обычно близок к единице, поэтому модуль коэффициента Kос.сф обычно такого же порядка, что и коэффициент Kоу, т.е. 104–105.

Усилительные свойства ОУ определяются его амплитудными характеристиками по инвертирующему и неинвертирующему входам при разомкнутой цепи нагрузки (рис. 10.42, а).

1 2 Е

Рис. 10.42. Амплитудные характеристики реального (а) и идеального (б) ОУ: 1 – по инвертирующему входу;

2 – по неинвертирующему входу

Для типового значения ЭДС источника питания Е=10 В насыщение транзистора повторителя напряжения выходного каскада про-

вызывает изменение напряжения на выходе.

Пренебрегая малым значением напряжения насыщения Uвх.нас, введем понятие идеального ОУ, у которого коэффициент усиления напряжения в режиме холостого хода и входное сопротивления име-

ют большие значения, т.е. Коу→∞ и Rвх→∞.

Это равносильно тому, что напряжение и ток на входе идеального ОУ в режиме усиления сигнала равны нулю

а его амплитудные характеристики по инвертирующему и неинвертирующему входам имеют вид ломаных линий 1 и 2 на рис. 10.42, б. В режиме насыщения идеального ОУ напряжение Uвх ≠ 0 , ток Iвх=0. Ес-

ли ОУ применяется только в режиме усиления сигналов, то на схеме

262

можно не указывать выводы питания (см. рис. 10.40), если же ОУ применяется и в режиме насыщения, то указанные на схеме выводы питания (см. рис. 10.39) поясняют равенство напряжений на выходе ОУ в режиме насыщения и источника питания Е и –Е (см. рис. 10.42).

Большое значение коэффициента усиления по напряжению позволяет использовать глубокую отрицательную обратную связь для создания на основе ОУ устройств различного функционального назначения.

На рис. 10.43 представлена схема неинвертирующего усилителя, в котором используется последовательная отрицательная обратная связь по напряжению.

Rвт

uвх

ec=uc

Rос

Rн uвых

R1

Рис. 10.43. Неинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя Кни, построенного на ОУ с достаточно большим усилением, практически зависит только от параметров обратной связи

Это полезное свойство позволяет проектировать системы с очень стабильным коэффициентом передачи, необходимые, например, при измерениях и обработке сигналов.

Фаза выходного сигнала неинвертирующего усилителя совпадает с фазой входного сигнала.

Если Rос=0, то Кни=1, а uвых=uвх, т.е. неинвертирующий усилитель превращается в повторитель напряжения с высоким входным и низким выходным сопротивлениями (рис. 10.44).

263

Rвт

Рис. 10.44. Повторитель напряжения

Схема инвертирующего усилителя представлена на рис. 10.45. В инвертирующем усилителе используется параллельная отрицательная обратная связь по напряжению. Отрицательный характер обратной связи обеспечивается цепью обратной связи с сопротивлением Rос, соединяющей выход усилителя с его инвертирующим входом.

Rос

Rвт R1

uвх

ec=uc

Rн uвых

Рис. 10.45. Инвертирующий усилитель

Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу. Коэффициент усиления определяется соотношением сопротивлений Rвт, R1 и Rос и находится по формуле

Фаза выходного сигнала противоположна фазе входного сигнала.

264

Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое равно сумме сопротивлений Rвт и Rос и может достигать 10 МОм и выше. Его выходное сопротивление, как и инвертирующего усилителя, мало.

На рис. 10.46 представлена схема усилителя, дифференцирующего сигнал инвертирующего входа

Рис. 10.46. Дифференцирующий усилитель

На рис. 10.47 представлена схема усилителя, интегрирующего сигнал инвертирующего входа.

Рис. 10.47. Интегрирующий усилитель

Выходное напряжение этого усилителя

На базе ОУ может быть построен компаратор – устройство, сравнивающее два сигнала и выдающее логическую единицу, если сигнал на неинвертирующем входе больше чем на инвертирующем, и логический ноль, если сигнал на неинвертирующем входе меньше, чем на инвертирующем. Выпускаются специальные интегральные схемы, предназначенные для использования в качестве компараторов.

265

Рис. 10.48. Схема компаратора на базе ОУ

ОУ в этом случае применяется как элемент сравнения и усилитель. Схема компаратора приведена на рис. 48. Компараторы используются для построения схем аналого-цифровых преобразователей.

10.16. Генераторы синусоидальных колебаний

Различают генераторы синусоидальных колебаний с самовозбуждением (автогенераторы) и с внешним (независимым) возбуждением. Последние являются усилителями мощности высокой частоты, работающими на резонансную нагрузку.

Схема автогенератора обычно содержит усилитель, охваченный положительной обратной связью. Наиболее часто применяется обратная связь по напряжению. Для построения автогенератора синусоидальных колебаний элементы схем либо усилителя, либо обратной связи должны обладать явно выраженными частотными свойствами. Наибольшее распространение получили два типа усилительных схем: с резонансными (колебательными) контурами и с резистивноемкостными цепями.

Автогенераторы, выполненные на основе схемы резонансного усилителя, часто называют автогенераторами типа LC, а автогенераторы, построенные на основе схемы усилителя на RC-цепях,– автогенераторами типа RC. Генерирование колебаний с частотами меньше 15–20 кГц на резонансных LC-контурах затруднено и неудобно из-за их громоздкости. В низкочастотном диапазоне широко используются генераторы типа RC. Они могут генерировать весьма стабильные синусоидальные колебания в сравнительно широком диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Кроме того, они имеют малые габариты и массу. Конечно, наиболее полно преимущества генераторов типа RC проявляются в области низких частот.

266

Для анализа установившегося режима работы автогенератора воспользуемся комплексным методом.

Напряжения на выходе автогенератора и на входе четырехполюсника цепи обратной связи одинаковые (рис. 10.49, а)

Рис. 10.49. Обратная связь по напряжению (а) и схема RC-автогенератора на основе ОУ, моста Вина в цепи положительной обратной связи и делителя напряжения из резисторов R3 и R4 в цепи отрицательной обратной связи

Условие (10.32) называется балансом амплитуд. Условие (10.33) называется балансом фаз. Условия (10.32) и (10.33) должны выполняться при одной угловой частоте работы автогенератора ω.

Самовозбуждение генератора, начиная с момента подачи питания, определяется условием

267

которое после завершения переходного процесса переходит в условие установившегося режима работы автогенератора (10.32) вследствие уменьшения Кu у при увеличении амплитуды синусоидальных колебаний, обусловленного нелинейностью транзисторов.

Схема RC-автогенератора на основе ОУ, моста Вина в цепи положительной обратной связи и делителя напряжения из резисторов R3 и R4 в цепи отрицательной обратной связи представлена на рис. 10.49, б.

Для генерации колебаний с максимальной амплитудой и угловой

удовлетворять соотношению R3 = 2 .

R4

10.17. Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.

Линейно изменяющееся напряжение характеризуется следующи-

венно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода.

268