2.16. Основные схемы включения операционных усилителей, используемые в устройствах рз

Инвертирующий операционный усилитель выполняется на ОУ с параллельной отрицательной ОС (ООС) по напряжению (рис.2.45, a). Неинвертирующий вход Н соединен с общей (нулевой) шинкой непосредственно или через резистор, поэтому U_H = 0. Входной сигнал U_BX1 подается через резистор R1 на И-вход ОУ. На этот же вход по цепи ОС через резистор R_OC поступает напряжение с выхода ОУ: U_OC = –K_OCU_ВЫХ. Коэффициент K_OC показывает, какая часть выходного напряжения передается на вход усилителя: K_OC = R₁/(R₁ + R_OC).

Определим основной параметр усилителя: К_уИ = U_BЫX/U_BX1. Полагая, что ОУ имеет идеальные параметры (К_уОУ = , Z_{ВХ ОУ} = ), принимаем напряжение между входными зажимами ОУ U_ВХ.Д = U_Н–И = U_H – U_И = 0. Отсюда следует, что U_И = U_H, а так как U_H = 0, то потенциал И-входа (U_И) инвертирующего усилителя будет равен нулю.

Определим входной ток I₁ и ток ОС I_ОС (рис.2.45, а). При подаче на вход 1 сигнала U_BX1 положительного знака

(2.27)

(2-28)

Поскольку у идеального ОУ I_ВХ = 0, то I_OC = I₁ (I₁ – входной ток схемы). Подставив значения токов из (2.27) и (2.28), получим: U_ВХ1/R₁ = – U_BЫX/R_ОС. Отсюда находим

(2.29)

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется только отношением сопротивлений цепи ОС (R_ОС) и входного сопротивления схемы (R₁) и является поэтому стабильной величиной, не зависящей от параметров транзисторов и других элементов, входящих в ОУ (изменяющихся под влиянием температуры и других факторов).

Линейная часть проходной характеристики 1 инвертирующего усилителя (участок АВ на рис.2.45, в), где U_BЫX = – K_ИU_BX1, идет ниже линейной части 2 характеристики ОУ, поскольку К_уИ << К_уОУ и имеет больший линейный участок. Изменяя соотношение R_ОС и R₁, можно изменять значение К_уИ и проходную характеристику.

При R_ОС = R₁/KyИ = 1 инвертирующий ОУ превращается в повторитель U_BX1 с изменением его знака: U_BЫX = – U_BX1.

Входное сопротивление схемы инвертирующего ОУ R_BX = U_BX1/I_BX; с учетом того, что потенциал U_И = 0, U_BX = U_BX1, а входной ток I_BX = I₁ поэтому R_BX = U_BX1/ I₁ = R₁ как правило, оно значительно меньше R_вхОУ

Приближенно выходное сопротивление схемы определяется по формуле [34]:

(2.30)

Поскольку К_уОУ велико, R_{вых И} имеет малое значение (50 – 100 Ом).

Инвертирующий усилитель может служить для преобразования входных напряжений как постоянного, так и переменного тока и широко используется для выполнения различных функциональных схем, рассматриваемых ниже. Инвертирующий усилитель используется как масштабный усилитель с инвертированием входного сигнала.

При анализе любых схем, построенных на инвертирующем ОУ, следует учитывать, что потенциал И-входа равен нулю (поскольку U_Н–И = 0).

Неинвертирующий операционный усилитель выполняется по схеме с ООС по напряжению (рис.2.46). Входной сигнал U_BX подается на Н-вход операционного усилителя. Напряжение ОС U_OC снимается с делителя напряжения, образованного резисторами R₁-R_OC, и заводится на И-вход. Поскольку напряжение между входами ОУ H и И равно разности их потенциалов, то под действием ОС на входе усилителя появится результирующее дифференциальное напряжение U_BX.Д = U_Н – U_И = U_BX – U_OC.

В этой схеме ОС действует как ООС, противодействуя U_BX. Значение U_ОС можно определить как падение напряжения от тока I₁ = U_ВЫХ/(R₁ + R_OC) в резисторе R1, т.е.

Из схемы видно, что

(2.31)

Полагая, что ОУ идеален, считаем, что I_вх.ОУ = 0 и, следовательно, I_ОС.ОУ = I₁. При этом, как следует из схемы включения (рис.2.46), I₁ = U_BX/R₁, поэтому I_ОС = I₁ = U_BX/R_1.

Подставив значения I₁ и I_ОС в (2.31), получим

(2.32)

Из (2.32) следует, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

(2.33)

Как и в предыдущей схеме, коэффициент усиления неинвертирующего ОУ К_уН не зависит от изменения параметров элементов, входящих в ОУ, и является стабильной величиной.

П роходная характеристика неинвертирующего усилителя приведена на рис.2.47. Она располагается в I и III квадрантах комплексной плоскости, так как знаки U_ВЫХ и U_BХ совпадают. Наклон линейной части характеристики определяется значением К_уН: чем меньше К_уН, тем больше линейная часть и диапазон U_BХ, при котором схема работает как линейный усилитель.

Особенностью неинвертирующего усилителя является очень большое входное сопротивление R_ВЫХ (до сотен мегаом). Выходное сопротивление R_ВЫХ = 50 ÷ 100 Ом.

Неинвертирующий усилитель используется как базовый элемент для выполнения ряда функциональных узлов в схемах измерительных органов.

Дифференциальный усилитель. Схема усилителя (рис.2.48) выполняется на ОУ с ООС. Она действует на оба его входа (И и Н), куда приходят также два входных сигнала (U_BX1 и U_BX2). Такой усилитель используется для вычитания одного входного сигнала из другого (например, U_BX2 – U_BX1):

(2.34)

Эту схему можно рассматривать как инвертирующий и неинвертирующий усилители, выполненные на одном ОУ.

Действительно, на И-вход ОУ так же, как и у инвертирующего усилителя (рис.2.48), через резистор R1 подается входной сигнал U_BX1, а через резистор R_OC – цепь ООС, в то же время на Н-вход, по аналогии с неинвертирующим усилителем (см. рис.2.46), подается входное напряжение U_BX2 и ООС, приходящая с И-входа. В отличие от схемы на рис.2.46, напряжение U_BX2 снимается и заводится на Н-вход с резистора R3 делителя напряжения резисторов R2 и R3, т.е.

(2.35)

Учитывая, что при наличии ООС ОУ работает в линейной части, пользуясь методом наложения, находим выходное напряжение рассматриваемой схемы как алгебраическую сумму (с учетом знаков) двух выходных напряжений. Одного, получаемого в результате усиления U_BX1 с коэффициентом K_yИ = R_OC/R₁ при U_ВХ2 = 0, и второго, в результате усиления U_ВХ2, поступающего на Н-вход (2.35), с коэффициентом при U_BX1 = 0. В соответствиии с этим получим

(2.36)

Чтобы рассматриваемая схема работала как вычитатель, коэффициенты усиления при U_ВХ2 и U_BX1 должны быть равны. Для выполнения этого условия сопротивления резисторов в (2.36) выбираются исходя из следующих соотношений:

R₂ = R₁; R₃ = R_ОС. (2.37)

Приняв сопротивления резисторов в выражении (2.36) по (2.37), получим

(2-38)

Здесь R_OC/R₁ является коэффициентом преобразования (усиления) U_BX2 и U_BX1. Рассмотренная схема работает как вычитатель.