9.2 Суммирование напряжений

Суммирование напряжений может быть выполнено с помощью простой цепи, составленной из резисторов. Однако пассивная цепь чувствительна к нагрузке. Применение ОУ позволяет получить результирующее напряжение, не зависящее от нагрузки. Рассмотрим схему, представленную на рис. 9.4.

Рис. 9.4. Операционный усилитель в режиме суммирования.

Уравнение для токов в цепи суммирования и для напряжений на входе и выходе усилителя

9.3. Повторитель напряжения

Повторители напряжения имеют малое выходное сопротивление, чем и определяется их применение. Включение операционного усилителя в режиме повторителя показано на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Операционный усилитель в качестве повторителя напряжения.

Используется как буферный усилитель, для исключения влияния низкоомной нагрузки на источник с высоким выходным сопротивлением.

V_Вых =V_Вх

• Z_Вх → ∞ (на практике — входное сопротивление операционного усилителя: от 1 MОм до 10 TОм)

4. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель усиливает напряжение (умножает напряжение на константу, большую единицы). Этот усилитель показан на рис. 9.6.

Рис. 9.6 . Неинвертирующий усилитель

Входное сопротивление Z_Вх → ∞ (на практике — входное сопротивление операционного усилителя: от 1 MОм до 10 TОм)

9. 5 . Операционный усилитель в режиме интегратора.

Во входной цепи и цепи обратной связи операционного усилителя можно включать различные компоненты: диоды, конденсаторы, катушки индуктивности.

Для анализа интегрирующего операционного усилителя рассмотрим сначала цепь с комплексными сопротивлениями на входе и в цепи обратной связи, рис. 9.7.

Рис. 9.7. Общая схема решающего усилителя с комплексными сопротивлениями

Для построения интегратора в цепь отрицательной обратной связи необходимо включить конденсатор, а во входную цепь резистор, рис. 9.7. В этом случае комплексное сопротивление цепи обратной связи .

Рис. 9.7. Операционный усилитель в режиме интегратора.

При таком включении ,

Или .

Переходя от операторного представления к временному, получаем

.

Учитывая, что для дифференциального усилителя Uвых пропорционально разности входных напряжений, то есть Uвых=Кn(U₂-U₁), применительно к рассматриваемому случаю, будем для комплексных значений пользоваться выражением

. (7.1)

Считая входное сопротивление усилителя бесконечным, запишем выражение для токов

.

Полагая , а и выражая ток через сопротивление и напряжение, получаем

.

Выразим

Воспользуемся выражением (7.1)

,

откуда коэффициент

.

Из последнего выражения видно, что эффективная постоянная времени при использовании в интеграторе операционного усилителя равна τ(Kn+1). Иначе говоря, увеличилась в (Kn+1) раз по сравнении с величиной

τ. Этот эффект в литературе имеет название эффект Миллера.

Увеличение эффективной постоянной времени за счёт использования усилителя позволяет, при подаче на вход скачка напряжения, получить в процессе интегрирования линейно изменяющееся напряжение, нарастающее почти до напряжения питания усилителя. Сравнение сигнала на выходе пассивной интегрирующей цепи и сигнала на входе интегрирующего усилителя при одинаковых постоянных времени показывает преимущества варианта с усилителем, рис. 9.8. На верхней части рисунка показан прямоугольный входной сигнал с амплитудой 1 В и длительностью 1200 мксек V(1)(v) и результат его интегрирования V(2)(v) с помощью пассивной цепи (RC=400 мксек). На нижней части рисунка показан результат действия решающего усилителя V(5)(v) с аналогичной RC-цепью. Питание усилителя 10В. Так как усилитель инвертирующий, сигнал линейно убывает, в отличие от пассивной цепи, на выходе которой сигнал возрастает.

Рис. 9.8. Сравнение результатов интегрирования с помощью пассивной цепи и с помощью интегрирующего решающего усилителя.

По горизонтальной оси отложено время в микросекундах. Представлен результат для t = 0 ÷ 3RC. Сигнал на выходе пассивной цепочки нарастает от 0 до 0,95В. Сигнал на выходе решающего усилителя⁴⁷ линейно падает от 8,8 В до 5,8 В. За каждый интервал времени, равный RC, сигнал на выходе усилителя изменяется на 1 В, что равно амплитуде входного сигнала.

При анализе частотных свойств интегрирующий решающий усилитель можно также рассматривать как фильтр нижних частот.