РАЗДЕЛ 4. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Вход 1

ДУ

УН

УМ

Выход

Вход 2

В принципе входные сигналы могут поступать одновременно на оба входа

усилителя.

В

этом случае выходное

напряжение

будет

пропорционально

+

-

разности входных сигналов, т.е. усилитель с

Uвх1

дифференциальным

входом

может

-

DA

Rн

использоваться

как

устройство

для

Uвх2

вычитания сигналов.

+

Uвых

Схема включения дифференциального

Е2

ОУ приведена на рис.7.2.

-

+

Здесь

Uвх1

и

Uвх2

-

входные

сигналы

на

инвертирующем

и

не

Рис.7.2. Схема включения

инвертирующем

входах;

Rн

-

дифференциального ОУ

сопротивление нагрузки; Е1 и Е2 -

источники питания.

В

тех случаях,

когда входной сигнал поступает на инвертирующий вход

(Uвх2 = 0),

амплитудная характеристика усилителя имеет вид кривой

I (рис.7.3). С

увеличением входного напряжения от - Uвхm

до Uвхm

выходное

напряжение

изменяется пропорционально входному.

При превышении входным напряжением величины ± Uвхm

происходит

насыщение усилителя и выходное напряжение

вых

перестаёт

изменяться.

Вследствие

большого

Е1

коэффициента усиления ОУ величина

Uвхm

U

2

вых m

обычно не превышает единиц милливольт.

При

наличии

сигнала

на

не

инвертирующем

входе

(Uвхm

=0)

получаем

-Uвх m

Uвх m

Uвх

амплитудную характеристику в виде кривой

2.

Симметричный

вид

амплитудной

-Uвых m

1

-E2

характеристики

относительно

начала

координат

, т.е.

возможность работы усилителя

Рис.7.3. Амплитудная характеристика

как при

положительных,

так и

при

отрицательных

входных

напряжениях

,

обеспечивается

использованием двух

разнополярных

,

равных по величине источников питания Е

1

и Е2.

Подключая между входами и выходом усилителя соответствующие цепи

обратной

связи,

можно получить устройства с различными функциональными

возможностями.

Рассмотрим некоторые из них.

Инвертирующий усилитель

Одним из наиболее распространённых устройств на ОУ является

инвертирующий усилитель, схема которого приведена на рис.7.4.

Входное напряжение подаётся на инвертирующий вход через резистор

R1,

определяющий величину входного сопротивления.

Резистор

R2

обеспечивает в

усилителе отрицательную обратную связь.

Ток,

протекающий через инвертирующий

вход ОУ,

примерно равен нулю

из-за

большого

R1

I2

входного

сопротивления, а напряжение на входе

-

DA

ненасыщенного ОУ близко к нулю из-за большого

Uвх

I1

Uвых

коэффициента усиления.

С учётом этого можно считать,

что

напряжение

на

резисторе

R2

примерно

равно

Рис.7.4. Инвертирующий усилитель

выходному напряжению

0У

Uвых,

а входной ток I1=

- I2

≈

ÂÕ

, тогда

Uвых≈

=

=-Uвх

,

(7.1)

а коэффициент усиления инвертирующего усилителя

Ê

ÂÛÕ

(7.2.)

ÂÕ

Коэффициент усиления К полностью определяется величинами резисторов R1,

R2

и не зависит от напряжений источников питания Е1,

Е2, коэффициента

усиления

0

У и других факторов,

которые могут изменяться в процессе работы

устройства.

Следовательно, рассматриваемый инвертирующий усилитель обладает

высокой стабильностью коэффициента усиления. Подбирая необходимую величину

сопротивления резистора

R2 при заданном сопротивлении R1,

можно обеспечить

требуемый коэффициент усиления. Обычно этот коэффициент усиления не превышает

ста и должен быть много меньше коэффициента усиления ОУ. Только в этом случае

достигается устойчивая и стабильная работа устройства,

а принятые допущения и

выражения (7.1)-(7.2) будут справедливы.

Интегратор

Интегратор представляет собой устройство,

с выхода

которого снимается

сигнал,

пропорциональный интегралу

oт входного напряжения.

Для этого в

цепь

отрицательной обратной связи включают конденсатор С, а входной сигнал подают на

инвертирующий вход через резистор

R (рис.7.5).

С учётом принятых для инвертирующего

усилителя допущений напряжение на выходе

интегратора

R

iC

,

(7.3)

-

DA

Uвх

iR

Uвых

где

UС

-

напряжение на

конденсаторе

обратной связи; iС

-ток конденсатора.

Рис.7.5. Интегратор

имеем

Подставляя в (3)

величину тока iС=-

.

(7.4)

Таким образом,

выходное напряжение устройства определяется интегралом от

входного

напряжения

и

произведением

τu=RC,

которое называют постоянной

времени интегратора. С увеличением постоянной времени интегратора уменьшается

погрешность интегрирования и уменьшается величина выходного напряжения.

При

входном

напряжении,

имеющем форму прямоугольных импульсов с

длительностью

τu

положительной

полярности

и

такой

же

дли-

UВХ

тельности

отрицательной

UВХm

полярности

(рис.7.6),

выходное

t

напряжение

будет

изменяться

по

-UВХm

линейному

закону

согласно

выражению

tи

tи

Uвых=-

(7.5)

UВЫХ

1

U′выхm

U′′выхm

Изменяя величину резистора

t

2

R, можно регулировать

амплитуду

Uвыхm выходного пилообразного

напряжения.

На

рис.7.6

кривая

I

Рис.7.6.

Диаграммы работы интегратора

получена при меньших значениях

резистора R, а кривая

2 - при больших.

Постоянная времени интегратора ограничивает длительность входного

импульса. Для нормальной работы интегратора необходимо,

чтобы

за время

τu

конденсатор заряжался до напряжения,

меньшего напряжения насыщения 0У.

Из

выражения (7.5)

можно получить минимально допустимую величину постоянной

времени интегратора.

tи >

(7.6)