Операционные усилители и их применение

Основные особенности функционирования операционных усилителей, охваченных петлей обратной связи

1. ОУ обладает настолько большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона. Поэтому:

2. Выход ОУ через обратную связь стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

3. Так как ОУ потребляет очень небольшой входной ток (0,08 мкА), то при анализе будем считать, что входы ОУ ток не потребляют.

Основные схемы включения ОУ

Инвертирующий усилитель

Рис.6.1.

Анализ схемы: так как потенциал точки Б равен потенциалу земли, то по правилу 2 потенциал точки А также равен потенциалу земли, то есть:

а) падение напряжения на R2 равно U_вых, падение напряжения на R1 равно U_вх.

Воспользовавшись правилом 3, получим:

I_R2 = - I_R1 или U вых _ - Uвх ,

R₂ ¯ R₁

откуда коэффициент усиления по напряжению:

(6.1)

Схема на рис.6.1. может усиливать как переменный, так и постоянный ток.

Так как потенциал точки А всегда равен ОВ (так называемое мнимое заземление), то Z_входа = R₁, Z_вых → доли ома. Недостаток схемы состоит в том, что при больших K_у она обладает малым входным импедансом (Z_вх), поскольку при больших K_у выбирают R₁ как правило небольшим (смотри формулу (6.1)).

Неинвертирующий усилитель

Рис.6.2. Неинвертирующий усилитель

Анализ U_А = U_вх (по правилу 1)

Напряжение U_А снимется с делителя напряжения:

U_А = U_вх(R₁/(R₁ + R₂))

Если U_А = U_вх, то K_у = U_вых/U_вх = 1 + R₂/R₁

Входной импеданс для ОУ равен Z_вх → ∞ (несколько МОм)

Выходной импеданс для ОУ равен Z_вых → 0 (доли Ома)

Схема рис.6.2. представляет собой как усилитель переменного, так и усилитель постоянного тока.

Усилители переменного тока

Рис.6.3. Усилители переменного тока а) усилитель усиливающий в К_у раз

постоянное напряжение сдвига между А и В; б) усилитель с

К_у = 1 + R₂/R₁ для переменного тока и с К_у = 1 для постоянного

напряжения и напряжения сдвига.

Повторитель

Повторитель представляет собой неинвертирующий усилитель с К_у = 1

Рис.6.4.

Повторитель называют еще буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).

Основные особенности при работе с ОУ

1. Правила 2.3 работы ОУ справедливы для любого ОУ при условии, что он находится в активном режиме, то есть входы и выходы неперегружены.

Например, если подать на вход усилителя слишком большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал будет срезаться вблизи уровней ± U_пит. Размах напряжения на выходе ОУ не может быть больше диапазона напряжения питания (обычно размах меньше на 2 В).

Рис.6.5. Ограничение U_вых при больших U_вх

2. обратная связь должна быть отрицательной. Это означает, что нельзя путать инвертирующий и неинвертирующий входы.

3. В схеме ОУ должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току. В противном случае ОУ обязательно попадает в режим насыщения.

4. Многие ОУ обладают малым предельно допустимым входным напряжением. Максимально допустимая разность между инвертирующим и неинвертирующим входами не должна превышать 5 В, превышение этого порога может вывести ОУ из строя.

Дифференциальный усилитель

Коэффициент усиления дифференциального усилителя (смотри рис.6.6.) равен R₂/R₁. U_вых = R₂(U₂ – U₁)/R₁.

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности двух напряжений и может эффективно использоваться для подавления синфазных помех, например идущих от кабелей датчиков информации.

Рис.6.6. Дифференциальный усилитель

Суммирующий усилитель

Суммирующий усилитель предназначен для суммирования нескольких входных сигналов. Суммирующий усилитель представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя.

Рис.6.7. Суммирующий усилитель на 3 входа

Точка Х имеет потенциальный нуль (смотри п.6.1.), поэтому входной ток равен:

U₁/R + U₂/R + U₃/R = I_вх = - I_вых

отсюда

U_вых = I_вых · R = - (U₁/R + U₂/R + U₃/R) · R = - (U₁ + U₂ + U₃)

Входные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными. Кроме того, входные резисторы не обязательно должны быть одинаковыми; если они неодинаковы, то получим взвешенную сумму. Например, схема может иметь 4 входа на каждом из которых напряжение равно + 1 В или 0 В; входы представляют двоичные значения: 1, 2, 4, 8. если использовать в сумматоре на входах резисторы с сопротивлением 8R, 4R, 2R, R, то снимаемое с выхода напряжение (в вольтах) будет пропорционально двоичному числу, которое задано на входах. Описанный метод представления чисел лежит в основе цифроаналогового преобразования.

Активный выпрямитель

Если амплитуда сигналов меньше, чем падение напряжения на диоде, то выпрямлять такие сигналы с помощью диодно-резистивной схемы нельзя.

Рис.6.8. Выпрямление сигнала с помощью диодно-резистивной схемы при

малых сигналах

Для выпрямления малых сигналов используют ОУ и помещают диод в цепь обратной связи.

Рис.6.9.

Для положительного напряжения U_вх диод Д1 обеспечивает отрицательную обратную связь и выходной сигнал за счет диода повторяет сигнал на входе. При отрицательном напряжении U_вх ОУ переходит в режим насыщения и напряжение U_вых становится равным потенциалу земли. При этом порог детектирования диода уменьшается в К_у раз.

Интеграторы

Интеграторы предназначены для выполнения математической функции интегрирования с помощью аппаратных средств.

Рис.6.10.

Входной ток U_вх/R протекает через конденсатор С. в связи с тем, что инвертирующий вход имеет потенциальное заземление, выходное напряжение определяется следующим образом:

U_вх/R = - С(dU_вых/dt)

или

U_вых = - 1/(RC)∫ U_вхdt + const

Дифференциаторы

Дифференциаторы предназначены для выполнения математической функции дифференцирования.

Рис.6.11.

Потенциал инвертирующего входа ОУ равен потенциалу входа Б и равен 0, поэтому изменение входного напряжения с некоторой скоростью вызывает появление тока

I = С(dU_вх/dt), а следовательно,

и выходного напряжения:

U_вых = IR = - RС(dU_вх/dt).

Компараторы

Компараторы предназначены для сравнения двух сигналов поданных на его входы.

Простейшим компаратором является дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления. В зависимости от знака водных напряжений ОУ оказывается в положительном или отрицательном насыщении. Коэффициент усиления по напряжению обычно превышает 100000, поэтому для того, чтобы выход ОУ не насыщала разность напряжения на входах должна быть равна долям милливольта.

Рис.6.12. (а)

На выходе обычного усилителя сигнал сравнения снимается в виде напряжения + 13 В или – 13 В (при U_пит = ± 15 В). для организации возможности стыковки компараторов с цифровой логикой на выходе схемы ОУ (внутри кристалла) устанавливается дополнительно транзистор с открытым коллектором.

Рис.6.12. (б)

С помощью внешнего резистора R₁ и источника питания цифровой логики + U_пит организовывается выдача выходного сигнала в виде «0» или «1» той конкретной цифровой логики с которой компаратор должен работать.

Триггер Шмитта

Простейшая схема компаратора (рис.6.13.) имеет два недостатка. При медленно изменяющемся входном сигнале напряжения на выходе также может изменяться достаточно медленно. В момент равенства сравниваемых сигналов на выходе может происходить дребезг.

Рис.6.13.

Этот недостаток устраняется положительной обратной связью.

Рис.6.14.

Резистор R₄ создает в схеме два порога срабатывания в зависимости от состояния выхода. Кроме того положительная обратная связь обеспечивает большую скорость переключения выхода. Эта схема называется триггером Шмитта.

Состояние выхода зависит как от входного напряжения. Так и от недавней предистории – это так называемый эффект гистерезиса.

Рис.6.15.