Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

В неинвертирующем усилителе (рис. 8.10) коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R₁и R_ос. В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R₁и поданную на инвертирующий вход. Схема обладает высоким полным входным сопротивлением.

Выражение для коэффициента усиления этой схемы можно получить, используя условие равенства напряжений на входах ОУ и считая ОУ идеальным. Тогда

Рис. 8.11. Повторитель напряжения

отсюда коэффициент усиления схемы равен:

Повторитель напряжения

Если в неинвертирующем усилителе положить R₁ равным бесконечности (R₁ = ∞), а R_ос равным нулю (R_ос= 0), то мы придём к схеме, изображённой на рис. 8.11.

Согласно принятым допущениям, напряжение на инвертирующем входе ОУ должно равняться входному напряжению (U_вх). Но, с другой стороны, неинвертирующий вход соединен с выходом схемы. Следовательно,Uвых =U_вх, то есть выходное напряжениеповторяетвходное напряжение.

Такая схема повторителя напряжения используется в качестве усилителя с большим значением входного сопротивления, обеспечивая развязку предыдущего каскада от нагрузочного влияния следующих за ним каскадов.

И Рис. 8.12. Схема инвертирующего усилителянвертирующий усилитель

В инвертирующем усилителе (рис. 8.12) входной и выходной сигналы сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R_оспараллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R₁на инвертирующий вход ОУ.

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами U₀= 0, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли. Поэтому I_вх= U_вх/ R₁. Так как входы ОУ не потребляют тока, то

I_ос= I_вх= U_вх/ R₁.

Выходное напряжение, то есть напряжение на выходном выводе относительно общей шины, можно найти как падение напряжения от тока I_осна резисторе R_ос, т.е.

U_вых= -R_осI_ос= -U_вхR_ос/ R₁.

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен:

K_u
инв= U_вых/ U_вх= -R_ос/ R₁.

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего каскада ОУ зависит только от параметров внешней цепи и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Обычно R₁ выбирается так, чтобы не нагружать источник напряжения (U_вх), а R_ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Если выбрать R_ос= R₁, когда К_uос= -1, то схема (см. рис. 8.12) получит свойства инвертирующего повторителя напряжения.

Поскольку U₀→ 0, входное сопротивление схемы R_вх= R₁, выходное сопротивление усилителя равно:

R_вых= (R_вых_оу(1 + R_ос/ R₁)) / К_u,оу.

При коэффициенте усиления ОУ, стремящемся к бесконечности (К_u,оу→ ∞) выходное сопротивление стремится к нулю (R_вых→ 0).

Инвертирующий сумматор

В схеме трехвходового сумматора (рис. 8.13) потенциал суммирующей точки (точка А) равен потенциалу земли. Поэтому:

; ;.

Рис. 8.13. Инвертирующий сумматор

се эти токи проходят через R_ос, т.е.

I_C= I₁+ I₂+ I₃.

Это значит, что I₁, I₂, I₃не влияют друг на друга. Следовательно, и входные напряжения Е_вх1, Е_вх2, Е_вх3не взаимодействуют друг с другом.

По аналогии с инвертирующим усилителем :

Или учитывая, что R_ос= R, имеем:

Если в схеме (см. рис. 8.13) требуется просуммировать только два входных сигнала (Е_вх1, Е_вх2), третий вход можно просто заземлить.

Для n входов выходное напряжение равно:

U_вых= -(E_вх1+E_вх2+ …+E_вх_n),

где n - число входов.

Суммирующие схемы могут работать как при постоянных, так и при переменных напряжениях. В случае необходимости суммирования входных сигналов с разными весовыми коэффициентами целесообразно использовать схему рис. 8.14. Выходное напряжение сумматора определяется аналогично:

У Рис. 8.14. Схема усредняющего усилителясредняющий усилитель

Усредняющий усилитель дает на выходе напряжение, пропорциональное среднему значению всех входных напряжений. В качестве такого усилителя может быть использован сумматор (см. рис. 8.13), если взять R_ос= R / 3. В этом случае

Внешняя компенсация сдвига

Некоторые усилители имеют встроенные регулировочные элементы для устранения сдвига. В усилителях, которые не имеют внутренних средств, для устранения сдвига нуля (U_сдв), приходится добавлять внешнюю резисторную цепь для компенсации напряжения сдвига.

В схеме (рис. 8.15, а), хотя I_сми невелик, но он все же существует и, если даже U_сдвравно нулю, I_см, протекая через параллельное соединение сопротивлений R₁и R_ос, вызовет появление на выходе напряжения:

U_{сдв.вых}(I_см) = I_см(R₁|| R_ос).

Поскольку ток смещения (I_см2) неинвертирующего входа (рис. 8.15, б) приблизительно равен току смещения, протекающему через инвертирующий вход (I_см1), то, подключив в цепь неинвертирующего входа сопротивление R_к= R₁|| R_ос, получим напряжение, возникающее на R_к, приблизительно равное напряжению смещения по инвертирующему входу от I_см1.

Для компенсации U_сдв, вызванного небалансом U_бэ, следует установить делитель, с помощью которого можно было бы компенсировать даже U_сдв._max, не изменяя коэффициент передачи цепи обратной связи.

В схеме (рис. 8.16) установки нуля напряжения сдвига (потенциометр R_п)

R₃+ R₂= R_к.

Это условие компенсации напряжения сдвига выхода, вызванного токами смещения. Сопротивление R₄выбирается так, чтобы параллельное соединение R₃и R₄, было примерно равно R₃. Это означает, что R₃выбирается малым, а R₄– большим. Диапазон регулировки напряжения сдвига приблизительно равен ± U R₃/R₄, так как R₄>>R₃. Потенциометр R_пдолжен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы не нагружать источник питания, но вместе с тем, ток через потенциометр должен быть, по крайней мере, в 20 – 40 раз больше I_см, так как R₃и R₄образуют делитель напряжения.

Рис. 8.17. Схема компенсации напряжения U_сдв

в неинвертирующем усилителе

омпенсация U_сдвв неинвертирующем усилителе осуществляется аналогично, однако делитель напряжения устанавливается в цепи ОС, так что очень важно, чтобы R₄было много больше R₃(рис. 8.17).

Заметим, что R₁= R₃+ R₅. Эта сумма используется в выражении для определения коэффициента усиления усилителя с ОС. Сопротивления R_пи R₄выбираются точно так же, как и для инвертирующего усилителя.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель (рис. 8.18) дает возможность измерять и усиливать слабые сигналы. Все применяемые резисторы прецизионные (с допуском не более 1 %).

Так как дифференциальный усилитель - линейный элемент, то при определении его параметров справедлив принцип наложения. Положим, что источник напряжения Е₂замкнут накоротко. Для источника Е₁схема является инвертирующим усилителем с коэффициентом усиления -R₂/R₁, т.е.