1.4 Основные схемы включения операционного усилителя
Различают три основные схемы включения ОУ: дифференциальная, инвертирующая и неинвертирующая.
При дифференциальном включении сигналы подаются на оба входа ОУ (рис. 1.6).
Рис. 1.6 – Дифференциальный усилитель на ОУ
Для дифференциального усилителя на ОУ справедливы следующие соотношения:
напряжение на неинвертирующем входе Up = U1R3/(R3+R4),
напряжение на инвертирующем входе Un = Up,
входной ток I1 = (U1-Un) /R1 равен току в цепи обратной связи I2 = (UnUвых) /R2,
выходное напряжение равно
При инвертирующем включении входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход соединяется с общей шиной (рис. 1.7).
Рис. 1.7 – Инвертирующий усилитель на ОУ
Выходное напряжение инвертирующего усилителя находится в противофазе по отношению к входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению определяется по формуле:
Входное и выходное сопротивления инвертирующего усилителя в первом приближении определяются равенствами Rвх R1; Rвых 0.
При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и R2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 1.8).
Рис. 1.8 – Неинвертирующий усилитель на ОУ
Выходное напряжение неинвертирующего усилителя совпадает по фазе с входным. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению определяется по формуле:
Если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, то коэффициент усиления входного сигнала по напряжению К = 1. Такие схемы называют повторителями напряжения. Входное сопротивление этой схемы в идеале – бесконечно.
1.5 Применение операционных усилителей
На основе ОУ создаются схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами (сложение, вычитание, интегрирование, выделение модуля функции и т.п.). Такие схемы находят широкое применение в современной электронике.
Схема суммирования. Для суммирования нескольких напряжений можно применить ОУ в инвертирующем включении. Входные напряжения через добавочные резисторы подаются на инвертирующий вход усилителя (рис. 1.9).
Рис. 1.9 – Схема инвертирующего сумматора
Для сумматора на ОУ в инвертирующем включении справедливы следующие соотношения:
напряжение на инвертирующем входе Un = 0,
входной ток I1 = U1/R1,
входной ток I2 = U2/R2,
ток в цепи обратной связи Iос = Uвых/Rос,
сумма входных токов I1+I2 = Iос,
выходное напряжение Uвых = Rос( U1/R1 U2/R2).
Схема сложения-вычитания. Эта схема представляет собой обобщение схемы усилителя с дифференциальным входом (рис. 1.10).
Рис. 1.10 – Схема сложения-вычитания
Для правильной работы этой схемы необходимо, чтобы сумма коэффициентов усиления инвертирующей части схемы была равна сумме коэффициентов усиления ее неинвертирующей части. То есть инвертирующий и неинвертирующий коэффициенты усиления должны быть сбалансированы. Символически это можно oбозначить следующим образом:
где m – число инвертирующих входов, n – число неинвертирующих входов.
Отсюда имеем:
