Лекция 5. Аналоговые устройства на ОУ

Усилитель (рис. 5.1.) называется инвертирующим по той причине, что его выходной сигнал находится в противофазе с входным.

Рис.5.1. Инвертирующий усилитель на ОУ

Коэффициент усиления усилителя по постоянному току в первом приближении определяется формулой:

, (5.1.)

а в диапазоне частот:

,

где – граничная частота ОУ по уровню 0,0707 k ₀.

Важным достоинством инвертирующего усилителя является отсутствие на его входах синфазного сигнала, поскольку за счет обратной связи на его инвертирующем входе действует практически нулевое напряжение. Это замечательное свойство инвертирующего усилителя позволяет решать многие задачи прикладной электроники.

Рис.5.2. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Коэффициент усиления по постоянному току неинвертирующего усилителя (рис.5.4.) в первом приближении может быть определен из условия, что напряжения на входных зажимах ОУ U ₊= U _-, откуда

(5.2.)

Дифференциальные усилители (ДУ) применяются в качестве масштабирующих преобразователей в датчиках (чаще дифференциального типа) с малым выходным сигналом в условиях сильных промышленных помех, например термопар, термометров сопротивлений, емкостных датчиков, датчиков биотоков и т.п.

Простейшая схема ДУ (рис.5.3.) содержит делитель напряжения на неинвертирующем входе ОУ для выравнивания коэффициентов усиления сигналов U ₁ и U ₂, поскольку он для этого входа составляет (1+ R ₂/ R ₁), а для инвертирующего равен К = – R ₂/ R ₁.

Схема (рис.5.3) находит достаточно широкое применение, хотя и обладает недостатками, заключающимися в сравнительно низком входном сопротивлении и наличии синфазной составляющей, которая в некоторых случаях практического применения может привести к нарушению режимов работы ОУ. Синфазная составляющая для такого ДУ по обоим входам составляет

U _синф = U ₂ [ R ₂/(R ₁+ R ₂)].

Рис. 5.3. Усилитель разности входных сигналов

(дифференциальный усилитель)

Обычно R1 = R3, R2=R4. Выходное напряжение такого усилителя для дифференциального сигнала можно определить по формуле:

(5.3.)

Рис. 5.4. Инвертирующий масштабный сумматор

Сумматор относится к аналоговым вычислительным устройствам. Он используется в различных измерительных преобразователях и корректирующих звеньях, а также при моделировании систем автоматического управления (САУ).

Схема трехвходового сумматора представлена на рис. 5.4. Каждый вход сумматора соединяется с инвертирующим входом ОУ через взвешивающий резистор (R1, R2, R3). Инвертирующий вход называется суммирующим узлом, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи. Как и в обычном инвертирующем усилителе, напряжение на инвертирующем входе практически равно нулю (из-за действия ООС), следовательно, равен нулю и ток, втекающий в ОУ.

Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму напряжений и меняет ее знак на обратный.

(5.4.)

Масштабный коэффициент по каждому входу может задаваться отдельно

Исходя из диапазона изменения входных сигналов, для предотвращения потери информации масштабные коэффициенты выбираются по следующему соотношению: .

Интегратор – это электронная схема, выходной сигнал которой пропорционален интегралу от входного. Принципиальная схема простейшего инвертирующего интегратора показана на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Простейший интегратор

При включении операционного усилителя (ОУ) с частотно-зависимой
отрицательной обратной связью (ООС), когда выход усилителя соединен через конденсатор с его инвертирующим входом, сигнал на выходе схемы определяется соотношением:

. (5.5)

При воздействии постоянного напряжения на входе, напряжение на выходе интегратора является линейной функцией времени.

.(5.6.)

Если входное напряжение действует неопределенно долгое время, выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока не достигнет величины напряжения насыщения.

Дифференциатор можно получить, если поменять в схеме местами резистор и конденсатор.

Рис.5.6. Дифференцирующая схема

Дифференциатор создает выходное напряжение, пропорциональное скорости изменения входного. Передаточная характеристика такой схемы

(5.7.)

Логарифмирующий усилитель можно построить, используя свойства ВАХ диода

Рис.5.7 Схема логарифмирующего усилителя

Уравнение передаточной характеристики схемы: (5.8.)