8.5 Линейные преобразователи электрических сигналов на основе операционных усилителей

Рассмотренные в предыдущих разделах схемотехнические решения построения простейших усилительных каскадов широко используют при проектировании интегральных линейных микросхем, хотя последние имеют гораздо более сложные структуры.

В технике аналоговых интегральных схем чаще всего используются дифференциальные усилители с двумя входами – инвертирующим и неинвертирующим (рис.6.64). В общем случае дифференцирующий усилитель предназначен для усиления разности двух входных напряжений. Использование схем с дифференциальным входным каскадом позволяет повысить стабильность и точность усилителя. На основе схем дифференциальных усилителей создаются схемы инвертирующего (рис.8.22) и неинвертирующего (рис.8.23) усилителей. При анализе этих схем на практике обычно считают, что входные токи I_ВХ (I₊ и I_-) малы и их принимают равными нулю, а напряжения на его инверсном и неинверсном входах равны между собой (U₊ = U_-). Для инвертирующего усилителя, полагая что К_У стремится к бесконечности, при I_-=0 получают: I₁=I₂ или U_ВХ/R₁= -U_ВЫХ/R₀, откуда:

U_ВЫХ = -U_ВХR₀/R₁ = -KU_ВХ (8.2)

Для неинвертирующего усилителя, при К_У, стремящемся к бесконечности, напряжение на инвертирующем входе можно определить как:

U_- =U_ВЫХR₁/(R₀+R₁).

При U_- =U₊ можно записать:

U_ВЫХ=U_ВХ(1+R₁/R₀) (8.3)

При R₀=0: U_ВЫХ=U_ВХ, т.е. усилитель работает в режиме повторителя. Такая схема может быть использована для повышения входного сопротивления и снижения выходного сопротивления.

Иногда при расчетах схем с инвертирующими и неинвертирующими усилителями используют понятие коэффициента обратной связи, который для обеих схем вычисляют по формуле:

= R₁/(R₀+R₁) (8.4)

В инвертирующем усилителе входное напряжение U_ВХ проходит на инвертирующий вход с коэффициентом:

= R₀/(R₀+R₁) (8.5)

Из (8.4) и (8.5), с учетом конечного значения коэффициента усиления К, можно получить формулы для расчета коэффициентов усиления инвертирующего К_И и неинвертирующего К_Н усилителей:

К_И= -K/(K_+1)= - R₀/R₁(1/(1+1/K_);

К_Н= K/(K_+1)=(R₀/R₁+1)(1/(1+1/K_),

откуда при К_>>1 легко получить:

К_И= - R₀/R₁ ; К_Н=1+ R₀/R₁.

Рис.8.22. Схема инвертирующего усилителя

Рис.8.23. Схема неинвертирующего усилителя

В схеме инвертирующего усилителя резистор R₂ вводится в усилитель с целью уменьшения погрешности от входных токов I₊ и I_-, причем в случаях их равенства полная коррекция влияния этих токов достигается при условии равенства сопротивления R₂ и параллельного соединения сопротивлений R₁ и R₀, т.е. R₂=R₁R₀ /(R₁+R₀).

Можно показать, что входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется выражением:

Для практических схем выполняется соотношение R₂(К+1)<<R₁, тогда R_ВХИ R1.

Для неинвертирующего усилителя:

R_ВХН== r_СФ R_Э,

где R_Э  r_ВХ(1+К_)/(1- К_/M_СФ).

Как правило, R_ВХН существенно выше R_ВХИ.

Выходное сопротивление инвертирующего и неинвертирующего усилителей одинаково и определяется выражением:

R_ВЫХ  r_ВХ /(1+К_).

Вычитающий усилитель на ОУ строится по схеме дифференциального усилителя.

Простейшая схема дифференциального усилителя приведена на рис.8.24. Используя выражения для коэффициентов усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей и рассматривая выходное напряжение как сумму двух независимых составляющих U₁ и U₂, получаем:

.

Если выполнить соотношение R₂/R₁=R₁/R₀ получим выражение:

U_ВЫХ = (U₂-U₁)(R₀/R₁).

Недостатком простейшего дифференциального усилителя являются низкие входные сопротивления и невозможность регулировки усилителя одним резистором. В последнем случае необходимо изменять одновременно как минимум два сопротивления, например R₀ и R₃.

Для обеспечения регулировки коэффициента усиления одним резистором применяются специальные схемы, например, такие как на рис.8.25. Для схемы рис.8.25а при R₄=R₁, R₅=R₂, R₆=R₃ выходное напряжение определяется выражением:

.

Тогда регулировка коэффициента усиления осуществляется сопротивлением R₇. Для схемы рис.8.25б при R₁=R₃, R₂=R₄:

,

где К₂ – коэффициент усиления усилителя, построенного на операционном усилителе А₂.

Регулировка коэффициента усиления осуществляется путем изменения коэффициента усиления усилителя А₂, т.е. сопротивлением R₆.

Рис. 8.24. Схема дифференциального усилителя

Рис.8.25. Схемы дифференциальных усилителей с одним регулирующим сопротивлением

Выходной ток интегральных операционных усилителей обычно составляет не более 20 мА. Для увеличения мощности ОУ используют дополнительные усилители токов с различными схематическими решениями.

На рис. 8.26 приведена схема двухтактного усилителя мощности с ОУ использующая обычную отрицательную обратную связь на резисторах R₁ и R₂.

Рис.8.26. Двухтактный усилитель мощности на основе ОУ

Благодаря наличию отрицательной обратной связи охватывающей и операционный усилитель, и транзисторный усилитель мощности, удается значительно снизить величину нелинейных искажений.