Б. Типовыесхемы включенияОу

1. Инвертирующий усилитель. Схема включения ОУ в режиме инвертирующего усилителя показана на рис. 2.17,а). Входной сигнал через резистор R1 поступает на ин- версный вход. Туда же подключен сигнал отрицательной обратной связи, снимаемый с выхода через резистор R2. Поскольку на прямом входе нуль, согласно второму правилу, нуль должен быть и на инверсном входе. Тогда, поскольку входной ток в инверсный вход

R1

Uвых

Uвых

R2

U-in=0

I-in=0

четной схеме рис. 2.17,б для узла на инверс- номвходеимеем:

I_R1 I_{R 2} ;

0 Uвх _Uвых 0 _.

_R3 ^R1 R1 R2

а) _б)

Рис. 2.17.

Uвх

Отсюдадлявыходного сигналаполучим:

Uвых

^R1Uвх. R1

По этой формуле можно рас-

считывать выходной сигнал ОУ, включенного по схеме рис. 17. Поскольку выходной сиг- налинвертируется(см. знак «-»), такой усилительполучил названиеинвертирующего.



Резистор R3 компенсирует наличие входного тока по прямому и инверсному вхо- дам. Его сопротивление принимают равным сопротивлению параллельно включенных R1 и R3. У современных ОУ, особенно выполненных на МОП транзисторах входные токи очень малы и частокомпенсирующийрезисторR3 неприменяют.

Инвертирующий усилитель широко используется для усиления аналоговых сигна- лов. Если усиление на нем не превышает 50…100, никаких проблем с не идеальностью реальных ОУ не бывает. Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно R1 и от входного сопротивленияОУпрактически независит.

2. Неинвертирующий усилитель или ОУ в неинвертирующем включении пред- ставлен на рис. 2.18. Представляю Вам самим возможность потренироваться и вывести по

цепи, изображенной на рис. 2.18,б) форму-

Uвх ^R3

Uвых

Uвых

R2

	U-
	I-

лу:

Uвых ^{R1 R2} Uвх.

R1

R2

R1

а) б)

Рис. 2.18.

R1

Uвх

in=Uвх in=0

Резистор R3 здесь, как и в предыдущей

схеме, компенсирует входной (точнее вы- ходной) ток инвертирующего входа. Все, сказанное о применении этого резистора ранее, справедливо и здесь. Входное со- противление неинвертирующего усилителя

определяется уже входным сопротивлением ОУ, отсюда некоторая непредсказуемость и разброс, если вход не шунтирован на землю. Если усиление на неинвертирующем усили- теле, как и в предыдущем примере, не превышает 50…100, никаких проблем с не идеаль- ностью реальных ОУ не бывает.

3. Источник тока. При таком включении ОУ обеспечивает в нагрузке заданный ток независимо от ее сопротивления, т.е. формирует на нагрузке такое напряжение (если ресурсов напряжения хватает), чтобы через нее протекал заданный ток. Многие датчики свой выходной сигнал выдают в виде тока, а не напряжения, например, от 4 до 20 мА. Та- кой сигнал хорошо защищен от помех, кроме того сам датчик питается от этой двухпро- водной линии и, если на линии обрыв, его легко обнаружить, ток в линии не может быть менее 4 мА. На рис. 2.19 приведены типовыесхемы источников тока, в частности, исполь- зуемые в выходных каскадах таких датчиков. Управляющие сигналы также удобно фор- мировать в виде тока заданной силы, так что схемы источников тока очень распростране-

ны в САУ. Исходя из равенстванапряженияна входах и отсутствия входных токов можно выразить ток в нагрузке I_H через управляющее напряжение U_Y:

U

I_H R1 U_Y , I_H  ^Y _R1.

Таким образом, ток в нагрузке определен только управляющим напряжением и от сопротивления нагрузки не зависит. Недостатком схемы, изображенной на рис. 2.19,а) яв- ляется сравнительно малое значение тока, который способен выдать ОУ. Хотя 20 мА мо- жет выдать большинство операционных усилителей, а если нужно амперы?

Такая схема представлена на рис. 2.19,б). Здесь выходной ток определяется уже подключенным к выходу ОУ биполярным транзистором. Транзистор также охвачен отри-

Uу

Uу ^Rн Iн R1

а)

+Uн

_Iн Rн

VT1 ^Uу

R1

б)

+Uн

R1

Iн _Rн

в)

ной связью и фор- мирует эмиттер- ный ток, опреде- ляемый приведен- ным ранее выра- жением. Хорошо, скажете Вы, эмит- терный ток мА оп- ределили, но в на- грузке то ток кол-

Рис. 2.19.

лектора. Ток эмит-

тера отличается от коллекторного тока на ток базы и при коэффициенте усиления по току более 100 (β>100) отличие не превышает 1%. Если такая точность не устраивает, приме- ните, вместо VT1, полевой МОП-транзистор n-типа и проблема будет снята.

На рис. 2.19,в) показан ОУ в качестве источника тока, обеспечивающий ток в за- земленной нагрузке, т.е. подключенной не к напряжению нагрузки U_H, а к земле (нулево- му напряжению). Для усиления тока применен р-МОП транзистор, как рекомендовалось ранее. Правда в этой схеме управляющее напряжение следует формировать относительно напряжения питания, что не всегда удобно. Есть множество выходов и из этой ситуации, например, сделаем схему двухкаскадной, сначала 2.19,б), потом 2.19,в). Причем, VT1 за- меним на n-МОП.

4. Дифференциаторы и интеграторы. Если собрать ОУ по схеме рис. 2.20, он бу- дет дифференциировать входной сигнал. Ток, протекающий через емкость в схеме равен:

I Ci ^dUВХ

_^UВЫХ

, отсюда, выходной сигнал:

R

Uвх^C

C

^UВЫХ

dt R

RCi ^dUВХ .

dt

Uвых

Рис. 2.20.

Наша схема дифференцирует выходной сигнал. Если конденсатор и резистор поменять местами, схема будетинтег- рировать (рис.2.21). Докажите это сами. Формула обработки сигнала интегратором:

t

C

U

ВЫХ

1

_{RC }

0

U_ВХ dt C.

Uвх ^R

Uвых

Рис. 2.21.

Здесь С- постоянная интегрирования. Для начала процесса ин- тегрирования параллельно конденсатору С включают ключ. Ес- ли он замкнут, конденсатор шунтирован и интегрирования нет. Как только ключ размыкается, начинается интегрирование.

Дифференциаторы трудно выполнить для обработки вы- сокочастотных сигналов. Проблемы с неидеальностью ОУ воз-

74

никают из-за ограничения скорости нарастания выходного сигнала и неустойчивостью ра- боты на высоких частотах.

Интеграторы, наоборот, трудно выполнить для обработки низкочастотных сигна- лов или на большое время интегрирования. Кстати, размерность произведения RC - се- кунда, докажите это. Реально, схемы хорошо работают при постоянной времени интег- рирования не более единиц секунд. Если произведение RC больше, входной сигнал сильно ослаблен и на выход существенное влияние оказывает напряжение смещения входа, ин- тегрирование этой величины приводит к постоянному росту выходного сигнала и насы- щению ОУ. Если необходимо длительное время интегрировать постоянный выходной сигнал, используют цифровуюили цифроаналоговуюобработку. Кактолько выходдости- гает некоторого значения, добавляют в счетчик «тиков» единицу, интегратор обнуляют и начинают следующий цикл отсчета «тика». Так, например, работают расходомеры, вы- ходной сигнал которого представляет из себя литровые импульсы, а внутри стоит схема, которую мы только что обсудили.

Дифференциаторы и интеграторы используют в САУ в качестве цепей коррекции обратной связи в аналоговых контурах автоматического регулирования. Хотя такие кон- туры применяются все реже и вытесняются цифровыми, на основе микроконтроллеров. Применяют такие схемы и при обработке сигналов датчиков, когда, например, по значе- нию скорости нужно получить ускорение или перемещение.

5. Сумматоры построены по схеме рис. 2.22.

_U1 R1

_U2 R2 _Ro

Число входных сигналов Ui может быть любым. Выход- ной сигнал схемы равен:

U 

^Ro Ui . Схема будет прекрасно работать, если

_U3 R3

ВЫХ

^Ri

Uвых

Рис. 2.22.

U1

отношения сопротивлений Ro и Ri не превышают ста и

выходное напряжение способно отобразить результат, т.е. не произошло переполнение.

6. Компаратор сравнивает величины двух сигна- лов и строится по схеме рис. 2.23,а). Собственно и схемы то нет никакой. Выходной сигнал компаратора равен:

Uвых

U2

^U ВЫХ

^U ВЫХ

U _{ВЫХ .MIN} приU1 U 2;

U _{ВЫХ .MAX} приU1 U 2.

a)

U1

_U2 R1

Uвых

Здесь U_ВЫХ.MIN, U_ВЫХ.MAX – минимальное и максималь- ное значение выходного сигнала ОУ.

Для получениягистерезисапри переключениивводят положительную обратную связь, как показано на рис. 2.23,б). В этом случае гистерезис переключения равен:

Ro

б)

Рис. 2.23.

Δ1 

R1 _U

Ro

ВЫХ .MAX ^;

Δ2 

R1 _U

Ro

ВЫХ .MIN ^.

_U+ R1 _U- R1

б)

Ro

Ro

Рис. 2.24.

Uвых

7. Дифференциальный усилитель вычитает два сигна- ла и усиливает из разность. Дифференциальные усили- тели широко используются для формирования сигналов различных датчиков, они необходимы для усиления выходного сигнала классического измерительного мос- та (мостУитсона). Схема представлена на рис. 2.24. За- висимость выходного сигнала от разности входных, рассчитанная исходя из правил идеального ОУ имеет вид (умейте вывести сами):

^U ВЫХ

^Ro (U R1

_U_).

75

Схема требует точного согласования пар резисторов, подключенных к прямому и инверс- ному входу ОУ, иначе точного вычитания не получится и будет усиливаться постоянная составляющая. Кроме того, входное сопротивление схемы может быть невелико и она может отбирать от измерительного моста заметный ток, искажая сигнал. Далее мы позна- комимся случшейсхемой классического дифференциального усилителя, называемого ин- струментальным усилителем (см. рис. 2.26).

Мы рассмотрели здесь наиболее распространенные элементарные схемы без де- тального анализа их работы. Для желающих познакомиться с применением ОУ более де- тально, рекомендую прочитать [2].