Масштабные усилители на ОУ

Основные способы включения ОУ в схемы с ООС.

ВОПРОС №2

Операционные усилители – основа усилителей со специальными частотными характеристиками.

В ОУ обратная связь является отрицательной, если она подается с выхода усилителя на его инвертирующий вход. В этом случае напряжение обратной связи находится в противофазе с входным напряжением.

Обратная связь является положительной, если она подается на неинвертирующий вход. В этом случае напряжение обратной связи находится в фазе с входным напряжением (рис.10.4 а, б)

а) б)

 

Рис.10.4. Обратная связь в ОУ:

а) отрицательная ОС; б) положительная ОС

 

На рисунке 10.4а обозначено:

U₁ – входное напряжение 1-го входа,

U₂ – входное напряжение 2-го входа,

U₃ – выходное напряжение.

На рисунке 10.4б обозначено:

U₁ – входное напряжение,

U₂ – выходное напряжение.

В зависимости от вида комплексных сопротивлений в цепях обратной связи ОУ может иметь различные частотные характеристики. Другими словами, изменяя характер сопротивления цепи обратной связи, можно получить необходимую частотную характеристику и реализовать определенные математические операции.

Ниже рассмотрены основные способы включения ОУ в схемах с отрицательной обратной связью (ООС):

– инвертирующее включение ОУ,

– инвертирующий сумматор,

– неинвертирующее включение.

Инвертирующее включение ОУ

Принципиальная схема инвертирующего включения ОУ представлена на рисунке 10.5., где обозначено:

U₁ – входное напряжение,

U₂ – выходное напряжение,

R – балансное сопротивление.

 

 

Рис.10.5. Принципиальная схема инвертирующего включения ОУ

 

Коэффициент передачи цепи определяется выражением

^,

где R_ВХд – дифференциальное входное сопротивление ОУ,

К – коэффициент усиления ОУ.

Полное входное сопротивление схемы определяется выражением

.

Выходное сопротивление схемы определяется выражением

.

Одной из разновидностей инвертирующего усилителя является инвертирующий сумматор (рис.10.6).

На рисунке 10.6 обозначено:

U₁ – входное напряжение 1-го входа,

U_i – входное напряжение i-го входа,

U_n – входное напряжение n-го входа,

U₂ – выходное напряжение,

Z₁ – входное сопротивление 1-го входа,

Z_i – входное сопротивление i-го входа,

Z_n – входное сопротивление n-го входа.

 

Рис.10.6. Принципиальная схема инвертирующего сумматора

 

Через элемент цепи обратной связи Z_ОС протекает суммарный ток, поэтому выходное напряжение определяется следующим выражением

.

В инвертирующих схемах на входе схемы, а также в цепи обратной связи, могут быть включены не только одиночные элементы, например, резисторы и конденсаторы, но и более сложные цепи, состоящие из ряда линейных и нелинейных элементов.

Неинвертирующее включение ОУ

Принципиальная схема неинвертирующего включения ОУ представлена на рисунке 10.7.

 

Рис.10.7. Принципиальная схема инвертирующего включения ОУ

 

На рисунке 10.7 обозначено:

U₁ – входное напряжение,

U₂ – выходное напряжение.

Коэффициент передачи цепи определяется выражением

.

В случае, когда , коэффициент передачи стремится к единице К_П = 1, усилитель работает как повторитель напряжения.

Масштабные усилители

Усилители, имеющие точное нормированное значение коэффициента усиления, называются масштабными(МУ).

Среди них выделяются измерительные и электрометрические усилители.

Измерительные усилители относятся к числу прецизионных. Значения их параметров являются нормированными и в заданном диапазоне рабочих частот, температуры не выходят за пределы, оговоренные в технических условиях. Эти усилители применяются для масштабирования измеряемых сигналов в системах получения и обработки информации.

Электрометрические усилители имеют высокое входное сопротивление (до 10⁹ –10¹⁵ Ом) и ничтожно малые входные токи. Они обычно применяются в устройствах, где требуется измерять электрические заряды или преобразовывать малые токи.

Выделение МУ в специальный класс устройств несколько условно и характеризуется только тем, что к значению их параметров, а также к стабильности этих параметров, предъявляются повышенные требования.

Масштабный усилитель,

не инвертирующий входной сигнал

Рис.10.8. Принципиальная схема МУ, не инвертирующего входной сигнал

 

На рисунке 10.8 обозначено:

U₁ – входное напряжение,

U₂ – выходное напряжение.

В случае, когда от МУ не требуется сверхвысокой точности, то входным и выходным сопротивлениями пренебрегают и считают, что R_ВХ→∞, R_ВЫХ →0.

В случае же прецизионных преобразователей, когда нельзя пренебрегать погрешностями, вносимыми вышеуказанными допущениями, анализ работы следует вести с учетом следующих значений коэффициента усиления, входного и выходного сопротивлений:

; ; .

Данный усилитель применяется или самостоятельно, или в составе сложных усилителей, когда требуется иметь повышенное входное сопротивление при значительном коэффициенте усиления по напряжению.

Кроме того, существуют и другие схемы МУ, например, повторитель напряжений, а также усилитель переменного напряжения.

Повторитель напряжения используется во входных устройствах, в которых требуется высокое входное сопротивление, а также в случае необходимости получения минимального выходного сопротивления.

Усилитель переменного напряжения имеет 100-процентную обратную связь по току, что гарантирует малые изменения выходного сигнала при постоянном токе, равные дрейфу нуля. Коэффициент усиления достаточно большой и его значение определяется навесными резисторами.

 

Масштабный усилитель,

инвертирующий входной сигнал

Рис.10.9. Принципиальная схема МУ, инвертирующего входной сигнал

 

В схеме МУ, инвертирующего входной сигнал, имеет место отрицательная обратная связь.

Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления определяются следующими выражениями:

; ; ,

где R_ВЫХдиф – дифференциальное выходное сопротивление ОУ.

Схема на рисунке 10.9 является предпочтительной для масштабирования напряжения, так как отсутствует синфазный сигнал и параметры схемы более стабильны. Однако следует учитывать, что последовательное включение более двух ОУ может привести к потере устойчивости. Это обусловлено тем, что выходное сопротивление реальных ОУ не равно нулю и повышается при увеличении частоты. Кроме того, повышается и дифференциальный входной сигнал на входе каждого ОУ из-за уменьшения коэффициента усиления К_U.

В результате этого могут создаваться условия, когда выходной сигнал третьего ОУ, используя цепи обратной связи, через резисторы R_ОС может попасть на вход первого ОУ и вызовет самовозбуждение всего МУ. Поэтому целесообразно между каждой парой инвертирующих МУ устанавливать МУ, не инвертирующий входной сигнал.

Выводы по 2-му вопросу:

1. Для разработки высокоточных электронных устройств используются масштабные усилители.

2. Наиболее предпочтительной является схема МУ, инвертирующего входной сигнал.