Характеристики операционного усилителя
В
+Uвых,
В
+Uвх,
мВ
– Uвх,
мВ
+
+EК
– EК
Инвертирующий
вход
Неинвертирующий
вход
Рисунок 40 – Амплитудные (или передаточные) характеристики
операционного усилителя
Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму работы транзистора ЭП (транзистор полностью открыт).
При
изменении напряжения входного сигнала
на этих участках Uвых
остается
без изменения и определяется как
и
,
которые близки к напряжению источников
питания ЕК.
Наклонному участку кривых соответствует пропорциональная зависимость Uвых от Uвх. Угол наклона определяется коэффициентом усиления = ∆Uвых · ∆Uвх. Значение зависит от типа ОУ и может принимать значение от нескольких сотен до сотен тысяч.
Когда кривые проходят через 0, это соответствует Uвых = 0 и Uвых = 0. Такое состояние называется балансом ОУ.
Параметры операционного усилителя
• Входные параметры:
- Rвх;
- входные токи смещения;
- разность и дрейф токов смещения.
• Выходные параметры:
- Rвых;
-
;
- Iвых.
• Энергетические параметры:
- максимальные потребляемые токи от обоих источников питания;
- суммарная потребляемая мощность.
• Частотные параметры (определяются по АЧХ ОУ):
- частота среза fср, начиная с которой АЧХ имеет спадающий характер, что вызвано частотной зависимостью параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ;
- частота единичного усиления f1, при которой = 1;
-
граничная частота fгр,
которой соответствует снижение
коэффициента усиления ОУ в
раз; по fгр
оценивают полосу пропускания частот:
∆f
=
fв.гр
−
fн.гр
(для
современных ОУ – это десятки мегагерц).
• Скоростные или динамические параметры:
- скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика);
- время установления выходного напряжения.
Решающие схемы на операционном усилителе
Инвертирующий
усилитель изменяет
знак выходного сигнала относительно
входного, создается введением по
инвертирующему входу ОУ с помощью
резистора RОС
отрицательной обратной связи по
напряжению (рисунок 41). Неинвертирующий
вход заземляется. На инвертирующий вход
через резистор R1
подается входной сигнал. Если принять
=
∞
и входной ток ОУ IОУ
= 0, то Iвх
= IОС,
тогда Uвх
− U0
/ R1
= Uвых
− U0
/ RОС.
При → ∞ напряжение на входе ОУ U0 = Uвых / → 0, тогда Uвх / R1 = − Uвых / RОС.
IОС
RОС
Iвх
IОУ
R1
R2
R3
V1
V2
V
in
U0
~
–
–
–
+
+
+
Рисунок 41 – Инвертирующий усилитель
Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с параллельной обратной связью КUи = Uвых / Uвх = − RОС / R1, т. е. определяется параметрами только пассивной части схемы. Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов входы делают симметричными, выбирая R2 = R1 // RОС.
Неинвертирующий усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению и не изменяет знак выходного сигнала относительно входного (рисунок 42). Входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Полагая U0 = 0, IОУ = 0, получим Uвых = Uвх [(R1 + RОС) / R1]. Тогда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя КUн = 1 + RОС / R1.
RОС
V1
V2
V
R1
R3
R2
U0
in
~
–
–
–
+
+
+
Рисунок 42 – Неинвертирующий усилитель
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя Rвх велико, а выходное сопротивление Rвых → 0.
Неинвертирующий и инвертирующий усилители широко используют в качестве высокостабильных усилителей различного назначения.
Преобразователь тока в напряжение. На рисунке 43 видно, что Iвх = IОС = − Uвых / RОС и, следовательно, Uвых = − Iвх · RОС. Преимуществом схемы являются малые входное и выходное сопротивления.
Iвх
V3
V1
V2
U0
in
–
–
+
+
IОС
RОС
Рисунок 43 – Преобразователь тока в напряжение
Сумматоры делятся на инвертирующие и неинвертирующие. Они предназначены для сложения нескольких входных сигналов. Неинвертирующий сумматор (рисунок 44, а) реализуется на основе схемы неинвертирующего усилителя (см. рисунок 42) путем добавления к входу параллельных ветвей, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.
При U0 = 0
Uн = Uи = [R1 / (R1 + RОС)] Uвых.
Тогда
U1 – Uн /R+U2 – Uн / R+…Un – Uн / R = 0.
Откуда для неинвертирующего усилителя
Uвых = [(R1 + RОС) / nR1] (U1 +U2 +… Un).
Инвертирующий сумматор (рисунок 44, б) выполняется по типу инвертирующего усилителя (см. рисунок 41) с числом параллельных ветвей на входе, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.
Для инвертирующего сумматора
RОС = R1 = R2 = … = Rn.
–
U0
RОС
R
R
R
R1
Uи
V2
V1
Uвых
Uн
Un
U2
U1
I1
I2
In
–
–
–
+
+
+
+
+
–
а
R1
I1
RОС
R2
Rn
I2
In
U1
U2
Un
U0
V1
V2
Uвых
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
б
Рисунок 44 – Сумматоры:
а – неинвертирующий; б – инвертирующий
При
= 0 получаем
IОС = I1+I2+…+ In.
Тогда
Uвых = − (RОС / R1) U1 + (RОС / R2) U2 +… (RОС / Rn) Un.
Интегратор создают заменой в схеме инвертирующего усилителя (см. рисунок 41) резистора RОС конденсатором С1 (рисунок 45).
В
IС
C1
V2
R3
R1
U
–
–
+
I
вх
= IС
и
ли
Uвх / R1 = − С1(dUвых / dt),
т
о
U
вых
= − 1 / R1С1
∫ Uвхdt
+ Uвых0,
г
де
Uвых0
− выходное напряжение при t
= 0.
Е
Рисунок
45
– Интегратор
Uвых = − 1 / τ ∫ Uвхdt,
где τ = R1С1 – постоянная времени.
1
/ τ определяет масштаб интегрирования,
так при R1
= 1 МОм и
С1
= 0,1 мкФ τ = 0,1 с-1.
И
нтеграторы
широко распространены в аналоговых
решающих и моделирующих устройствах.
Д
Рисунок
46
– Дифференциатор
ифференциатор.
Если
в схеме интегратора поменять местами
сопротивление R1
и конденсатор С1,
то получим схему дифференциатора
(рисунок 46).
Рисунок
46 – Дифференциатор
Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ, и формула выполняемой операции определяется выражением:
Uвых = − R1С1 (dUвх / dt) = − τ (dUвх / dt).
М
R2
В
Рисунок
47 – Мультивибратор
–
in
R4
U2
C1
UC
U1
U3
R3
–
+
+
результате перезарядки конденсатора
выходное напряжение скачком изменяется
от
до
=
.
При R3
= R4
длительность
импульса tи
≈ 1,1 R2С1,
а период импульса T
= 2tи
≈ 2,2 R2
·
С1.
Изменяя R3
и R4,
можно регулировать длительность, частоту
и амплитуду импульсов.