2.3. Основные схемы включения операционных

усилителей

Инвертирующая схема включения ОУ.

Н

Рис.2.3. Инвертирующая схема включения

Операционного усилителя

а рис.2.3 приведена схема ОУ в инвертирующем режиме. Применяя операторный метод (см. гл.1) и метод двух узлов, известный из курса электротехники, выразим напряжение U_ВЫХ(р) через U_ВХ(р).

Обозначим Y₁(p)=1/Z₁(p) и Y₂(p)=1/Z₂(p)

.

Далее получаем:

.

Так как k очень велико, то примем его стремящемся к . Левая часть последнего уравнения превращается в ноль, поэтому

и окончательно операторный коэффициент усиления инвертирующей схемы включения операционного усилителя .

Неинвертирующая схема включения ОУ.

Н

Рис.2.4. Неинвертирующая схема включения ОУ

а рис.2.4 приведена схема ОУ в неинвертирующем режиме. Также как и для инвертирующей схемы выразим в операторной форме напряжение U_ВЫХ(р) через U_ВХ(р), oбозначив Y₁(p)=1/Z₁(p) и Y₂(p)=1/Z₂(p).

.

Далее получаем:

при левая часть последнего уравнения превращается в ноль, поэтому

Окончательно операторный коэффициент усиления неинвертирующей схемы

2.4. Некоторые схемы на операционных усилителях

В

Рис.2.5. Схема вычитающего усилителя

ычитающий усилитель. На рис. 2.5 представлена схема вычитающего усилителя, коэффициент усиления которого равен R₂ /R₁. В этой схеме, для получения высокого значения коэффициента отрицательной обратной связи необходимо обеспечить точное согласование резисторов.

С

Рис.2.6. Схема суммирующего усилителя

уммирующий усилитель. Схема суммирующего усилителя, показанная на рис. 2.6, представляет собой один из вариантов инвертирующего усилителя.

Легко показать, что для этой схемы, при равенстве входных сопротивлений, выходное напряжение будет равно

К

Рис.2.7. Компаратор

Рис.2.8. Диаграмма работы компаратора

омпаратор – это устройство предназначенное для сравнения некоторого изменяющегося входного напряжения (U_ВХ) с напряжением уставки (U_УСТ).

Простейшим компаратором является дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления, построенный на основе операционного усилителя. Пример одного из вариантов простейшего инвертирующего компаратора приведён на рис.2.7. В этой схеме сопротивление R₂>>R₁, поэтому коэффициент усиления велик и ОУ работает в переключаемом режиме (см. 2.2). Напряжение U_УСТ, с которым сравнивается U_BX, задаётся делителем R₃, R₄, подключённым к источнику питания ОУ (+U, –U) или к любому другому источнику, имеющему с ОУ общую «землю». На рис.2.8. приведена диаграмма работы простейшего инвертирующего компаратора, на которой видно, что как только напряжение на входе превысит напряжение уставки, напряжение выхода меняет знак с положительного на отрицательный (в неинвертирующем компараторе будет наоборот).

Интегратор. На основе операционных усилителей можно строить практически идеальные интеграторы. На рис.2.9 приведена схема инвертирующего интегратора. Операторный коэффициент передачи определяется формуле:

Рис.2.9. Интегратор

.

Если р заменить на jто получим зависимость коэффициента передачи от частоты

,

т.е., чем выше частота, тем меньше коэффициент передачи. Таким образом интегратор представляет собой фильтр низких частот.

Дифференциатор подобен интегратору, только в нём меняются местами резистор R и конденсатор С.

Рис.2.10. Дифференциатор

На рис.2.10 приведена схема инвертирующего дифференциатора, операторный коэффициент передачи которого определяется формуле:

.

Если р заменить на jто получим зависимость коэффициента передачи от частоты

,

т.е., чем выше частота, тем больше коэффициент передачи. Таким образом дифференциатор представляет собой фильтр высоких частот.

Усилитель мощности. Для получения больших выходных токов к выходу ОУ можно подключить мощный транзисторный повторитель (рис.2.11). В примере использован инвертирующий усилитель, но повторитель можно подключать к любому операционному усилителю. Следует обратить внимание, что сигнал обратной связи снимается с эмиттера, следовательно, обратная связь определяет нужное выходное напряжение независимо от падения напряжения U_БЭ. Нагрузка усилителя подключается между точкой выхода и «землёй».

Г

Рис.2.11. Усилитель мощности

енератор. Существенной частью почти любого электронного устройства является генератор. Так, например, генераторы гармонических или специальных колебаний используются в универсальных измерительных приборах, в осциллографах, радиоприемниках, ЭВМ, в любом периферийном устройстве ЭВМ (магнитный диск, устройство печати, алфавитно-цифровой терминал), почти в любом цифровом приборе (счетчики, таймеры, калькуляторы) и во множестве других устройств. Не будет преувеличением сказать, что генераторы являются такой же необходимой вещью в электронной автоматике, как регулируемый источник питания постоянного тока.

В зависимости от конкретного применения генератор может использоваться как источник регулярных импульсов («часы» в цифровой системе); от него может потребоваться устойчивость и точность (опорный интервал времени в частотомере), регулируемость (гетеродин передатчика или приёмника) или способность генерировать колебания в точности заданной формы (генератор горизонтальной развертки осциллографа).

Очень простой генератор легко получить если заряжать конденсатор через резистор или источник тока, а затем быстро его разряжать, когда напряжение достигнет некоторого порогового значения, и начинать цикл сначала. Генераторы, построенные на этом принципе, назваются «релаксационными». Они просты и стабильны по частоте.

Н

Рис.2.12. Релаксационный генератор на базе ОУ

а рис.2.12 показан классический релаксационный RС-генератор. Работает он просто: допустим, что когда впервые прикладывается напряжение, выходной сигнал ОУ выходит на положительное насыщение (каким образом это произойдет — неважно). Конденсатор начинает заряжаться до напряжения +U с постоянной времени, равной RC. Когда напряжение конденсатора достигнет половины +U, ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения и конденсатор начинает разряжаться до –U с той же самой постоянной времени. Цикл повторяется бесконечно, с периодом 2,2 RС, независящим от напряжения питания.