63. Работа операционного усилителя с дифференциальным включением входов

На основе ОУ может быть выполнен разностный (дифференциальный) усилитель, схема которого приведена на рисунке 6.10.

Рисунок 6.10. Разностный усилитель на ОУ

Разностный усилитель на ОУ можно рассматривать как совокупность инвертирующего и неинвертирующего вариантов усилителя. Для U_вых разностного усилителя можно записать:

U_вых = K_U инвU_вх1 + K_{U неинв}U_вх2R₃/(R₂ + R₃).

Как правило, R₁=R₂ и R₃=R_ос, следовательно, R₃/R₂=R_ос/R₁=m. Раскрыв значения коэффициентов усиления, получим:

U_вых = m(U_вх2 – U_вх1),

Для частного случая при R₂=R₃ получим:

U_вых = U_вх2 – U_вх1.

Последнее выражение четко разъясняет происхождение названия и назначение рассматриваемого усилителя.

В разностном усилителе на ОУ при одинаковой полярности входных напряжений имеет место синфазный сигнал, который увеличивает ошибку усилителя. Поэтому в разностном усилителе желательно использовать ОУ с большим КОСС. К недостаткам рассмотренного разностного усилителя можно отнести разную величину входных сопротивлений и трудность в регулировании коэффициента усиления. Эти трудности устраняются в устройствах на нескольких ОУ, например, в разностном усилителе на двух повторителях (рисунок 6.11).

Рисунок 6.11. Разностный усилитель на повторителях

64. Методы корректировки режимов работы операционных усилителей

Прежде всего, надо измерить уровни питающих напряжений, напряжения на входах микросхемы, атакже на выходе (цифровым вольтметром). Обычно, если известны номиналы резисторов отрицательной обратной связи, то, посчитав коэффициентусиления, можно сделать выводы о том, что должно быть на выходе и с каким знаком, конечно, если это линейный усилитель.

Сомнения могут возникнуть при проверке более сложных схем (интеграторов, автогенераторов и др.). В этом случае можно воспользоваться другим методом. Как вы знаете, любой операционный усилитель легко заставить работать в режиме компаратора. Для этого мы можем временно подать поочередно на прямой и инверсный входы микросхемы от внешнего источника небольшое напряжение через ограничивающий ток резистор (рис. 6.17). Напряжение на выходе «операционника» при этом надо контролировать цифровым вольтметром или осциллографом (при нормальной работе мы увидим переключение выхода).

Рис. 6.17. Принцип проверки операционных усилителей

Осциллограф для проведения таких измерений более удобен, так как он дает возможность обнаружить не только изменение уровней на выходе, но и наличие непредусмотренного самовозбуждения каскадов (автогенерацию).

65. Аплитудно-частотные характеристики операционных усилителей

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) показывает, каким образом коэф­фициент усиления ОУ зависит от частоты. Поскольку ОУ является многокаскадным электронным усилителем, его коэффициент усиления зависит от частоты входного сигнала. В общем случае АЧХ представляет собой ломаную линию, имеющую точки излома, соответствующие частотам   Для большинства ОУ первая точка излома АЧХ соответствует очень небольшой частоте   » 10 Гц по сравнению с   = (1…3) МГц и другими значениями  .

На рис. 6.9 (линия 1) показана логарифмическая АЧХ ОУ  без цепи обратной связи (диаграмма Боде). На АЧХ можно выделить несколько участков с характерными частотами. Частота единичного усиления   – частота, при которой коэффициент усиления ОУ уменьшается до 1.

Значения коэффициента усиления ОУ соответствуют разомкнутой цепи обратной связи ( ), линия 1 характеризует усилительные свойства самого ОУ. Из рисунка следует, что при разомкнутой цепи обратной связи  коэффициент усиления   остается неизменным до некоторой частоты  , а затем плавно уменьшается, при частоте   он становится равным 1. При   (первая точка излома) коэффициент усиления уменьшается на 3 дБ от начального значения  , что определяет ширину полосы пропускания  . Точку, в которой начинается спад АЧХ, называют полюсом. Показанная на рис. 6.9 АЧХ является однополюсной. Начиная с полюса  , усиление при разомкнутой цепи обратной связи спадает со скоростью 6 дБ/октава или 20 дБ/декада. Это означает, что усиление падает на 6 дБ всякий раз, когда частота удваивается. Соответственно усиление уменьшается на 20 дБ при увеличении частоты в 10 раз.

Рис. 6.9. Амплитудно-частотная характеристика

При включении цепи обратной связи и соответствующем подборе параметров резисторов   и   можно получить любое усиление при замкнутой цепи ОС, но меньше, чем усиление   при разомкнутой ОС. Если коэффициент усиления ОУ   на нулевой частоте достаточно высок, то коэффициент усиления с обратной связью на нулевой частоте   для неинвертирующего усилителя можно выразить в виде

.

Например, если надо получить усиление   по напряжению 40 дБ (т. е. в 100 раз), то сопротивление резистора   должно быть в 100 раз больше сопротивления  . Тогда частотная характеристика (линия 2) останется плоской до частоты среза ОУ, охваченного обратной связью   = 10⁴ Гц. После чего начнет спадать со скоростью 6 дБ/октава и достигнет единичного усиления на частоте 10⁶ Гц. Частота среза   связана с частотой единичного усиления   и коэффициентом усиления   соотношением Гц.

Полосой пропускания по уровню 3 дБ или просто полосой пропускания усилителя называют диапазон частот, где коэффициент усиления остается на уровне 3 дБ от максимального значения. Диапазон частот, где коэффициент усиления отличается от максимального значения не более чем на 3 дБ находится в пределах от нулевой частоты до частоты среза. Следовательно, ширина полосы пропускания ОУ с обратной связью равна частоте среза с обратной связью, т. е.  . Из рис. 6.9 следует, что переход от схемы включения ОУ без обратной связи к схеме с обратной связью сопровождается уменьшением коэффициента усиления при соответствующем расширении полосы пропускания. Причем, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления за счет введения обратной связи, во столько же раз расширяется полоса пропускания.