Простий неінвертуючий підсилювач на оп
З розгляду принципу роботи ідеального ОП випливає дуже проста методика проектування схем:
Нехай, необхідно побудувати електричну схему на ОП, з необхідними властивостями. Необхідні властивості, полягають, перш за все, в заданому стані виходу (вихідна напруга, вихідний струм і т. д.), який, можливо, залежить від якої-небудь вхідної дії. Для створення схеми потрібно підключити до ОП такий зворотний зв'язок, щоб при необхідному вихідному стані досягалася рівність напруги на входах ОП (інвертуючому і неінвертуючому), а зворотний зв'язок був би від'ємним.
Таким чином, необхідний стан системи буде стійким станом рівноваги, і система в ньому знаходитиметься необмежено довго [5]. Користуючись цим спрощеним підходом, нескладно отримати просту схему підсилювача.
Від підсилювача потрібна наявність на виході напруги, що перевищує вхідну в K разів. Відповідно до приведеної вище методики, подамо на неінвертуючий вхід ОП сам вхідний сигнал, а на інвертуючий — вихідний сигнал, поділений в K разів резистивним подільником напруги.
Нехай, K = R1 / (R1 + R2)+R1*R2 — коефіцієнт передачі напруги резистивним подільником R1R2. Тоді, для неідеального ОП (з кінцевим коефіцієнтом підсилення Gopen-loop), маємо:
V+ = Vin
V- = K • Vout
Vout = Gopen-loop • (Vin • K • Vout)
Вирішуючи дану систему відносно Vout / Vin, отримуємо:
Vout/Vin = Gopen-loop / (1 + Gopen-loop • K),
тобто отримано підсилювач, коефіцієнт підсилення якого залежить від посилення ОП і номіналів резисторів. Якщо ж ОП має дуже великий коефіцієнт підсилення Gopen-loop (набагато більший, ніж 1/К), то коефіцієнт Gopen-loop у виразі скорочується і отримуємо простіший вираз:
Vout / Vin = 1 / К = 1 + (R2 / R1)
Таким чином, коефіцієнт передачі підсилювача, побудованого на ОП з чималим підсиленням, практично залежить лише від параметрів зворотного зв'язку. Ця корисна властивість, дозволяє проектувати системи з дуже стабільним коефіцієнтом передачі, необхідні, наприклад, при вимірюваннях і обробці сигналів.
Просте включення оп
Схема підключення ОП без зворотного зв'язку (з розімкненим зворотнім зв'язком). При такому підключенні, ОП працює як перемикач. До інвертуючого входу, через резистор, підключають землю (0 В). В результаті, якщо на вході Vin позитивна напруга, то на виході буде максимально підсилена позитивна напруга; якщо ж на вході Vin від'ємна напруга, то на виході буде максимально підсилена від'ємна напруга.
При створенні від'ємного зворотного зв'язку, коефіцієнт підсилення зменшується. При цьому, для регулювання коефіцієнта підсилення використовують подільник з опорів Rf і Rg. Так, якщо Rf = Rg, а Vin = 1, то Vout = Vin • 2 = 1 • 2 = 2 В.
Розглянемо роботу ОП, як окремого диференційного підсилювача, тобто без включення в розгляд яких-небудь зовнішніх компонентів. В цьому випадку, ОП поводиться як звичайний підсилювач з диференційним входом, тобто його поведінка описується рівнянням:
(1)
де:
Vout — напруга на виході;
V+ — напруга на неінвертуючому вході;
V- — напруга на інвертючому вході;
Gopen-loop — коефіцієнт підсилення, при розімкнененій петлі зворотного зв'язку.
Всі напруги вимірюються відносно загальної точки схеми. Цей спосіб включення ОП (без зворотного зв'язку) практично не використовується [1], через властиві йому серйозні недоліки:
коефіцієнт підсилення з розімкненим колом зворотного зв'язку Gopen-loop нормується в дуже широких межах і може змінюватися в тисячі разів (найбільше залежить від частоти сигналу і температури);
коефіцієнт підсилення дуже великий (типове значення 106, на постійному струмі) і не піддається регулюванню.