Решающие схемы на ОУ

1. Инвертирующий усилитель

Рисунок 2.40 – Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель (рисунок 2.40) изменяет знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R_ос отрицательной обратной связи по напряжению. Не инвертирующий вход заземляется. На инвертирующий вход через резистор R1 подается входной сигнал. Если принять R_{вх ОУ} = ∞ и входной ток ОУ I_ОУ = 0, то I_вх = I_ос, и тогда U_вх − U₀ / R1 = U_вых − U₀ / R_ос.

При К_UОУ → ∞ напряжение на входе ОУ U₀ = U_вых / К_UОУ → 0, и тогда U_вх / R1 = − U_вых / R_ос.

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с параллельной обратной связью К_Uи = U_вых / U_вх = − R_ос / R1, т. е. определяется параметрами только пассивной части схемы. Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов входы делают симметричными, выбирая R2 = R1 // R_ос.

2. Не инвертирующий усилитель

Рисунок 2.41 – Не инвертирующий усилитель

Не инвертирующий усилитель (рисунок 2.41) содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению и не изменяет знак выходного сигнала относительно входного. Входной сигнал подается на не инвертирующий вход ОУ. Полагая U₀ = 0, I_ОУ = 0 получим U_вых = U_вх [( R1 + R_ос) / R1]. Тогда коэффициент усиления не инвертирующего усилителя К_Uн = 1 + R_ос / R1.

Входное сопротивление не инвертирующего усилителя R_вх велико, а выходное сопротивление R_вых → 0.

Не инвертирующий и инвертирующий усилители широко используют в качестве высокостабильных усилителей различного назначения.

3. Преобразователь тока в напряжение

Схема преобразователя тока в напряжение показана на рисунке 2.42, откуда видно, что I_вх = I_ос = − U_вых / R_ос и, следовательно, U_вых = − I_вх R_ос. Преимуществами схемы являются малые входное и выходное сопротивления.

Рисунок 2.42 – Преобразователь тока в напряжение

 

4. Сумматор

Сумматоры делятся на инвертирующие и не инвертирующие, они предназначены для сложения нескольких входных сигналов. Не инвертирующий сумматор (рисунок 2.43 а) реализуется на основе схемы не инвертирующего усилителя (рисунок 2.41) путем добавления к входу параллельных ветвей, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.

При U₀=0,U_н = U_и = [R1 / (R1 + R_ос)] U_вых.

ТогдаU1–U_н /R+U2–U_н/R+…U_n–U_н/R = 0.

Откуда, для не инвертирующего усилителя

Рисунок 2.43 а – Не инвертирующий сумматор

U_вых=[(R1 + R_ос) / nR1] (U1 +U2 +… U_n).

Инвертирующий сумматор (рисунок 2.43 б) выполняется по типу инвертирующего усилителя (рисунок 2.40) с числом параллельных ветвей на входе, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.

Для инвертирующего сумматора R_ос = R1 = R2 = … = R_n.

При I_{вх ОУ} = 0 получаем I_ос= I1+I2+…+ I_n.

Тогда U_вых = − (R_ос / R1) U1 + (R_ос / R2) U2 +… (R_ос / R_n) U_n.

5.

Рисунок 2.43 б – Инвертирующий сумматор

Интегратор

Интегратор создают заменой в схеме инвертирующего усилителя (рисунок 2.40) резистора R ос конденсатором С1 (рисунок 2.44).

Рисунок 2.44 - Интегратор

Выходное напряжение интегратора пропорционально интегралу от входного сигнала. Так как I_вх = I_с или U_вх / R1= − С1(dU_вых / dt), то U_вых= − 1 / R1 С1 ∫ U_вх dt + U_вых0, где U_вых0 − выходное напряжение при t = 0. Если t = 0 и U_вых0 = 0, то тогда U_вых = − 1 / τ ∫ U_вх dt,

Где τ = R1 С1 – постоянная времени.

 

1 / τ определяет масштаб интегрирования, так при R1 = 1Мом и С1 = 0,1 мкФ τ = 0,1 с^-1.

Интеграторы широко распространены в аналоговых решающих и моделирующих устройствах.

6. Дифференциатор

Если в схеме интегратора поменять местами сопротивление R1 и конденсатор С1, то получим схему дифференциатора (рисунок 2.45).

Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ и формула выполняемой операции определяется выражением

U_вых = − R1 С1 (dU_вх / dt) = − τ (dU_вх / dt).

7. Мультивибратор

Мультивибратор – это устройство, которое служит для получения прямоугольных импульсов. Мультивибратор на ОУ (рисунок 2.46) относится к самовозбуждающимся генераторам. ОУ работает в импульсном режиме (на нелинейном участке амплитудной характеристики). Он сравнивает два сигнала: по не инвертирующему входу U1 и по инвертирующему входу U_с (напряжение конденсатора С1).

Рисунок 2.46 – Мультивибратор

В результате перезарядки конденсатора выходное напряжение скачком изменяется от U_{вых max} до U_{вых min} = −U_{вых max}. При R3 = R4 длительность импульса t_и ≈ 1,1 R2 С1, а период импульса T = 2t_и ≈ 2,2 R2 С1. Изменяя величины R3 и R4, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.