1.3.1. Обратная связь
Рассмотрим принцип введения обратной связи для ОУ (рис. 1.2).
Н
а
схеме показано, что часть выходного
напряжения возвращается через цепь
обратной связи на вход ОУ. Если напряжение
обратной связи вычитается из входного
напряжения, обратная связь называется
отрицательной, если же оно суммируется
с входным напряжением – положительной.
Пусть
на неинвертирующий вход ОУ, имеющего
коэффициент усиления
,
подано напряжение
,
ОУ охвачен отрицательной обратной
связью с коэффициентом усиления
.
Тогда выходное напряжение
будет равно
.
Отсюда можно найти коэффициент усиления
операционного усилителя, охваченного
отрицательной обратной связью:
.
При
коэффициент усиления охваченного
обратной связью усилителя составит
,
т.е. данная величина определяется только
обратной связью и не зависит от параметров
самого усилителя.
Динамические
свойства ОУ определяются, как правило,
частотой
единичного усиления
ОУ без обратной связи, равной произведению
коэффициента усиления
на ширину полосы для охваченного обратной
связью усилителя. Значение частоты
единичного усиления обычно лежит в
диапазоне от сотен килогерц до десятков
мегагерц.
Кроме того, динамические свойства ОУ характеризуются скоростью нарастания выходного сигнала которая равна 0,3-50 В/мкс.
1.4. Неинвертирующий усилитель
Если в качестве цепи обратной связи использовать резистивный делитель напряжения и производить операцию вычитания напряжений с помощью дифференциальных входов ОУ, то получится базовая схема охваченного обратной связью неинвертирующего усилителя (рис. 1.3).
Коэффициент
обратной связи
.
Коэффициент усиления для данной схемы
В
случае идеального ОУ (
)
коэффициент усиления
данной схемы определяется как
.
В
ажным
особым случаем неинвертирующего
усилителя является случай, когда
,
т. е.
и
.
Рассмотрим схему такого усилителя,
имеющего коэффициент усиления, равный
1 (рис. 1.4).
Подобная схема включения называется следящей и используется, как и схема эмиттерного повторителя, в качестве преобразователя сопротивления (увеличение входного и уменьшение выходного сопротивлений схемы). Существенным преимуществом такой схемы является то, что разница между выходным и входным напряжениями составляет единицы милливольт.
1.4.1 Инвертирующий усилитель
Рассмотрим ещё один способ включения резистивной обратной связи (рис. 1.5).
Коэффициент
ослабления входного сигнала для
инвертирующего усилителя
,
коэффициент обратной связи определяется
как
.
Тогда коэффициент усиления
по напряжению охваченного обратной
связью усилителя определяется выражением
.
В
случае идеального ОУ (
)
коэффициент усиления
данной схемы определяется как
.
В
ходное
сопротивление схемы инвертирующего
усилителя имеет существенно меньшее
значение, чем собственное входное
сопротивление ОУ и приблизительно равно
.
Если
,
то
,
т. е. схема инвертирует знак входного
напряжения и является инвертором
сигнала.
1.5. Коррекция частотной характеристики оу
Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. Типичная частотная характеристика дифференциального коэффициента усиления операционного усилителя с частотной коррекцией и без неё приведена на рис. 1.6.
Выше
частоты
частотная характеристика определяется
инерционным звеном с минимальной
граничной частотой. Коэффициент усиления
в этой области падает (наклон 20 дБ/дек),
а фазовый сдвиг выходного напряжения
относительно входного достигает значения
минус 90°. Выше частоты
начинает действовать второй фильтр
нижних частот, коэффициент усиления
уменьшается сильнее (наклон 40 дБ/дек),
а фазовый сдвиг между выходным и входным
напряжениями достигает величины минус
180°. Это означает, что входы ОУ фактически
поменялись ролями, и отрицательная
обратная связь в этой частотной области
становится положительной. Автоколебания
в схеме могут возникнуть при наличии
частоты, для которой фазовый сдвиг по
цепи обратной связи становится равным
нулю (условие баланса фаз), а коэффициент
(условие баланса амплитуд).
Ряд операционных усилителей имеют встроенные цепи коррекции.