Электроника учебное пособие

180 0 относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и обозначается знаком инверсии , а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением, –

альных схемах иногда показывается в

виде .

Характерная особенность ОУ состоит в том, что входные сигналы подаются относительно одной общей

шины, относительно которой снимается и выходной сигнал. При нулевых входных напряжениях выходной сигнал равен нулю. Благодаря этому свойству источники входного сигнала и нагрузку можно непосредственно подключать к выводам ОУ, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющих и не рискуя изменить статические режимы работы усилительных каскадов.

Реальные ОУ строятся на основе двухили трехкаскадных усилителей постоянного тока (рис. 7.27).

Рис. 7.27. Структурная схема ОУ

В качестве входного каскада используют дифференциальный усилительный каскад, который позволяет обеспечить получение высокого входного сопротивления и подавить синфазные составляющие. Согласующий каскад служит для согласования выходного сигнала дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласование фаз сигналов. Выходной каскад выполняет требуемое усиление сигнала по мощности и определяет низкое выходное сопротивление ОУ.

Основными характеристиками ОУ являются амплитудная (АХ) (рис. 7.28, а) и амплитудно-частотная (АЧХ) (рис. 7.28, б). При подаче

81

сигнала на неинвертирующий вход АХ имеет вид кривой АВ, а при подаче сигнала на инвертирующий вход – вид кривой CD. Линейный участок АХ сверху и снизу практически ограничен напряжениями источников питания

Рис. 7.28. Характеристики ОУ: а – амплитудная; б – амплитудно-частотная

положительной и отрицательной полярностей.

На практике используются две основные схемы включения ОУ: с подачей входного напряжения на неинвертирующий вход (рис. 7.29, а) и с

а) б)

Рис. 7.29. Схема включения ОУ с подачей входного напряжения: а – на неинвертирующий вход; б – на инвертирующий вход

подачей входного напряжения на инвертирующий вход (рис. 7.29, б).

При подаче входного напряжения на неинвенрирующий вход ОУ, охваченного ОС с коэффициентом β, равным β = Z1 (Z1 + Z2 ), коэффициент усиления по напряжению определяется с помощью выражения (10.1)

при условии, что коэффициент усиления ОУ Kу u β >> 1.

82

Из выражения (10.1) видно, что коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной ОС, при большом значении Kу u определяется только

сопротивлениями Z1 и Z2 и мало зависит от колебаний коэффициента усиления ОУ Kу u .

При подаче входного напряжения на инвертирующий вход коэффициент усиления ОУ Ku определяется следующим выражением:

Из данного выражения видно, что при этой схеме включения коэффициент усиления Ku зависит только от соотношения сопротивлений Z1 , Z2 и не зависит от коэффициента усиления ОУ Kу u .

Контрольные вопросы

1.Что такое электронный усилитель?

2.По каким признакам классифицируются усилительные устройст-

ва?

3.На какие классы делят режимы работы усилителей? В чем их особенность?

4.Чем отличается работа усилителя в режиме А от режима В?

5.Как выбирают рабочую точку активного усилительного элемента?

6.Каким образом можно стабилизировать выбранную рабочую точку?

7.Поясните работу схемы коллекторной стабилизации рабочей точ-

ки (см. рис. 7.10, б).

8.Поясните работу схемы эмиттерной стабилизации рабочей точки

(см. рис. 7.10, г).

9.Расскажите об устройстве резисторного усилительного каскада.

10.Каково назначение элементов C1 и C2 в схеме каскада?

11.Объясните назначение сопротивления Rэ и емкости Cэ в схеме резисторного усилительного каскада.

83

12.Как влияет на ход амплитудно-частотной характеристики величи-

на Cэ ?

13.Объясните, как влияет сопротивление нагрузки Rн на величину

коэффициента усиления усилительного каскада и почему?

14.Для чего предназначена схема «токового зеркала»?

15.При выполнении какого условия выходной ток «токового зеркала» равен его входному току?

16.Каково назначение схемы Дарлингтона?

17.Чему равен коэффициент усиления тока в схеме Дарлингтона и

почему?

18.Каково назначение усилителя постоянного тока?

19.Каковы способы реализации усилителей постоянного тока?

20.Почему необходимо выполнять согласование режима работы по постоянному току в многокаскадном УПТ?

21.Поясните принцип работы УПТ с преобразованием сигнала.

22.Что такое дифференциальный усилитель?

23.Какие напряжения называют синфазными и противофазными?

24.Поясните принцип работы дифференциального усилителя при синфазном входном сигнале.

25.Что такое обратная связь в усилителе?

26.Какие виды обратной связи существуют?

27.Как положительная и отрицательная обратные связи влияют на величину коэффициента усиления схемы?

28.Чем местная обратная связь отличается от общей ОС?

29.Перечислите достоинства отрицательной обратной связи.

30.Что такое паразитная обратная связь? Как она образуется?

31.Какое устройство называется операционным усилителем?

32.Какие основные требования предъявляются к операционным усилителям?

33.В чем заключается отличие передаточной характеристики ОУ по инвертирующему и неинвертирующему входам?

34.Перечислите способы включения операционного усилителя.

35.Как коэффициент усиления зависит от схемы включения ОУ?

36.Нарисуйте условные обозначения ОУ.

84

Uвых = −(Uвх1 +Uвх2 +Uвх3 )ROC / R .

Если в схеме на рис. 8.1 выбрать R1 = R2 =...= Rn = R и RОС = R/n, то получим Uвых = −(Uвх1 +Uвх2 + ... +Uвх n )/ n .

85

Следовательно, на выходе схемы будет формироваться напряжение, равное инвертированному среднему арифметическому от n входных напряжений. Такие схемы называют схемами усреднения.

§ 8.2. СХЕМА СЛОЖЕНИЯ-ВЫЧИТАНИЯ

Входное напряжение можно подавать на различные входы ОУ через соответствующие резисторы. Это позволяет получить на выходе усиленную разность входных напряжений. Схема усилителя, в которой на инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ одновременно подается несколько напряжений, показана на рис. 8.2.

Для получения на выходе усилителя с дифференциальным входом (рис. 8.3) сигнала разности входных напряжений необходимо, чтобы

Для схемы на рис. 8.2 данное условие можно переписать в виде

R′(1/ R1 +1/ R2 + ...1/ Rm ) = ROC (1/ Rm+1 +1/ Rm+2 + ... +1/ Rn ).

При выполнении данного условия для выходного напряжения рассматриваемого усилителя можно записать

86

§ 8.3. НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ СУММАТОР

Данная схема может быть получена как частный случай схемы сло- жения-вычитания. Для этого в схеме на рис. 8.2 входные напряжения необходимо подавать только на неинвертирующий вход ОУ, что показано на рис. 8.4 на примере трехвходового сумматора.

Тогда, чтобы выходное напряжение усилителя определялось выра-

§ 8.4. ИНТЕГРАТОР

Интегратором называется устройство, выходной сигнал которого

ванием ранее приведенного соотношения при условии, что ROC = ZOC(p):

K = ROC / Rвх ;

W (p) = ZOC (p)Zвх (p) = (1Cp)R = (1RCp).

Полученное выражение является передаточной функцией идеального интегрирующего звена с постоянной времени T = RC. К аналогичному выводу приходим, записав для инвертирующего входа ОУ уравнение по первому закону Кирхгофа:

iR = Uвх / R ; iC + iR = 0.

Напряжение на конденсаторе UC и выходное напряжение усилителя изменяются по следующему закону:

Данные выражения справедливы для идеального ОУ. В реальном ОУ коэффициент усиления имеет конечное значение коэффициента усиления ОУ и ограниченность полосы пропускания ОУ. Таким образом, интегратор с реальным ОУ эквивалентен обычной RC-цепи, у которой значение емкости конденсатора C увеличено в 1+ K y раз, а падение напряжения на нем

усилено в K y раз. Погрешность интегрирования в интеграторе на ОУ при-

88

Для инвертирующего входа данной схемы можно записать

Uвх1 R1 +Uвх2 R2 +Uвх3 R3 = − CdUвых dt ,

откуда

Uвых = −(1R1C)òUвх1dt − (1R2C)òUвх2dt − (1R3C)òUвх3dt.

§ 8.5. ДИФФЕРЕНЦИАТОР

Дифференциатором называется устройство, выходной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала. Другими словами, выходной сигнал дифференциатора пропорционален скорости изменения его входного сигнала.

Простейшая схема дифференциатора, выполненная на ОУ, приведена на рис. 8.7. На схеме изображен инвертирующий усилитель, в цепь обратной связи которого включено апериодическое RC звено. Передаточная функция такого устройства имеет вид Wд(p) = ZОС(p) / Z(p) = R / (1/ Cp) = RCp.

Этот же результат можно получить, записав для инвертирующего входа ОУ уравнение для суммы токов

Uвых / R = −CdUвх / dt , откуда Uвых = −RCdUвх / dt .

На основе схемы суммирующего усилителя можно построить суммирующий дифференциатор (рис. 8.8). Получим выражение для выходного напряжения приведенной схемы

89

C1dUвх1 dt + C2dUвх2 dt + C3dUвх3 dt = −Uвых R ,

отсюда

Uвых = − C1RdU вх1dt − C2RdU вх2 dt − C3RdUвх3 dt .

§8.6. ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ И АНТИЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ

УСИЛИТЕЛИ

Логарифмическим называется усилитель, выходное напряжение которого пропорционально логарифму его входного напряжения. Антилогарифмический (экспоненциальный) усилитель выполняет обратное преобразование напряжения.

Логарифмический и экспоненциальный усилители находят применение при реализации математических операций умножения и деления. Чтобы умножить два числа, достаточно сложить их логарифмы. Простейшие схемы, реализующие логарифмический и экспоненциальный усилители, представлены на рис. 8.9 и рис. 8.10 соответственно.

Для получения логарифмической характеристики в цепь ООС ОУ включают p-n-переход. Это может быть диод или биполярный транзистор, включенный по схеме с общей базой. Получим выражение, связывающее входное и выходное напряжения для схемы, приведенной на рис. 8.9

90