Дифференциальный упт и сдвиг нуля.

ОУ с отрицательной обратной связью по напряжению, где часть выходного напряжения подается на инвертирующий вход. Как видим, входное напряжение может подаваться в цепь инвертирующего входа или на неинвертирующий вход ОУ относительно общей шины источников питания.

ОУ с отрицательной обратной связью, где а – инвертирующий усилитель; б – неинвертирующий усилитель постоянного тока.

Инвертирующий усилитель постоянного тока. Так как коэффициент усиления K_u ОУ очень большой, входное дифференциальное напряжение ОУ U_вх.д = U_вых / K_u практически равно нулю. Значит мысленно можно считать, что инвертирующий вход соединен с общей шиной источников питания ОУ. Говорят, что на инвертирующем входе действует потенциал виртуального (воображаемого) нуля. Тогда входной ток схемы I = U_вх / R₁. Этот ток полностью уходит через резистор обратной связи R₂ в выходную клемму в ОУ, так как входные токи ОУ I_вх^- и I_вх⁺ считаем равными нулю.

На резисторе R₂ появляется падение напряжения R₂ I. Так как это падение напряжения действует относительно виртуального нулевого потенциала, то его можно считать выходным напряжением:

,или ,где – коэффициент передачи (усиления) схемы а, где знак минус означает, что усилитель инвертирующий.

Неинвертирующий усилитель постоянного тока Найдем коэффициент передачи схемы, пользуясь очевидными соотношениями: U_вх.д = U_вых / K_u→0; U_вх = U_вых ∙ R₁ / (R₁ + R₂), откуда

Как видим, коэффициенты передачи (усиления) по напряжению инвертирующего и неинвертирующего усилителей практически по величине не отличаются. Принципиальное отличие последнего заключается в том, что он не инвертирует входной сигнал U_вх (знак «минус» в формуле отсутствует).

Принципиальные электрические схемы входных дифференциальных усилителей интегрального ОУ, где а – вариант схемы с пассивной резистивной нагрузкой; б – вариант схемы с активной динамической нагрузкой.

М ногие интегральные ОУ имеют специальные дополнительные выводы для подключения потенциометра, с помощью которого можно устранить сдвиг выходного напряжения или, что то же самое, провести балансировку схемы. Но не меньше интегральных ОУ не имеют таких выводов, поэтому балансировку ОУ проводят посредством введения во входную часть схемы на ОУ некоторого напряжения, которое полностью подавляет сдвиг нуля.

Способы балансировки инвертирующего (а, б) и неинвертирующего (в, г) усилителей.

Генераторы синусоидального напряжения.

Электронный генератор – это электронное устройство, которое преобразует энергию источника постоянного тока в переменное напряжение (ток) заданной формы и частоты. В промышленной электронике особое место занимают генераторы гармонических колебаний – синусоидального напряжения (тока) низких и средних частот (f<1000 кГц). Подобные генераторы реализуются на интегральных операционных усилителях. Транзисторные схемы генераторов рассматриваться не будут, так как по эксплуатационным, метрологическим, массогабаритным и стоимостным характеристикам уступают схемам на ОУ.

Структурно генератор представляет собой усилитель с положительной обратной связью (ПОС).

Структурная схема генератора

Для возникновения ПОС необходимо, чтобы петлевой сдвиг фаз был равен нулю (360^º): φ_ус+φ_ос= 0 (360^º), где φ_ус– сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями усилителя, φ_ос– сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями цепи ОС.

Условие φ_ус+φ_ос=0 (360^º) называется условием баланса фаз. Если оно выполняется только на одной частоте, то генератор будет генерировать гармонические (синусоидальные) колебания. Если на нескольких частотах (спектре частот), то выходное напряжение будет несинусоидальным, например, прямоугольным.

Г енератор синусоидального напряжения с нефазосдвигающей обратной связью (мостом Вина-Робинсона) – наиболее простой схемотехнически и в анализе.

Генератор синусоидального напряжения с мостом Вина-Робинсона, где а – принципиальная электрическая схема; б – амплитудно-частотная и в – фазочастотная характеристика R₁, R₂, C₁, C₂–цепи.

Найдем передаточную функцию RC-цепочки ПОС, представленной на рис. 3.3.

RC-цепь положительной обратной связи, где а – электрическая схема; б – схема замещения

или На этой частоте коэффициент передачи (затухания) цепи ПОС будет равен

Для практического использования схемы удобно принять R₁=R₂ и C₁=C₂, тогда f₀=1/2πR₁C₁ и β_ос=1/3.

Условие баланса амплитуды K∙β_ос≥1 выполняется при K ≥3.

Сопротивления R₃ и R₄ можно найти из выражений R₃||R₄=R₂, чтобы нейтрализовать влияние входных токов ОУ на сдвиг нуля ОУ. Разделительный конденсатор C₃>>1/2πf₀R_н.

Г енератор синусоидального напряжения с фазосдвигающей RC-цепью ПОС. в котором должен использоваться инвертирующий усилитель. В инвертирующем усилителе на входах ОУ синфазный сигнал отсутствует, поэтому генератор, который будет ниже рассмотрен, имеет более правильную форму выходного синусоидального напряжения, чем генератор с мостом Вина-Робинсона. Однако его схема и анализ сложнее.

Если инвертирующий усилитель имеет сдвиг фазы φ_ус=180^º, то и цепь ПОС должна иметь φ_ос=180^º, чтобы выполнить условие баланса фаз: φ_ус+φ_ос= 0(360^º).

Сдвиг фаз в 180^º могут обеспечить три последовательно включенные Г-образные RC-цепочки, каждая из которых имеет сдвиг фаз φ( )=0÷90^º в диапазоне частот =0÷∞.

На рис. изображена принципиальная электрическая схема генератора с тремя последовательно включенными дифферен-цирующими RC-цепочками и инвертирующим усилителем.

Дифференцирующая RC-цепочка(а), ее схема замещения (б), где и

Следует рассмотреть трехзвенную RC-цепь как сложный четырехполюсник. Необходимо найти передаточную функцию. Можно воспользоваться методом контурных токов или узловых потенциалов, но они приводят к громоздким алгебраическим манипуляциям. Полезно применить матричный анализ четырехполюсника. Четырехполюсник следует описать с помощью А-параметров.

а также C₄>>1/2πf₀R_н.

Г енератор синусоидального напряжения с фазосдвигающей RC-цепью ПОС, состоящей из трех последовательно включенных интегрирующих RC-цепочек. Достоинство этой схемы то же – применение инвертирующего усилителя на ОУ, в котором отсутствует влияние синфазной составляющей входного сигнала ОУ.

В этом случае анализ данной схемы полностью совпадает по результату с анализом генератора с тремя дифференцирующими RC-цепочками, но везде нужно будет поменять .

Тогда получим результат анализа в виде:

баланс фаз возникает на частоте

и баланс амплитуд K_uβ_ос≥1 имеет место при K_u≥29.

а также C₄>>1/2πf₀R_н.