Обратная связь в оу.

Охват ОУ отрицательной обратной связью позволяет получить схему, коэффициент передачи которой определяется только внешними элементами, подключёнными к ОУ, и не зависит от его коэффициента усиления ( К₀→ ∞, R_вх→ ∞, R_вых→0).

Вывод формулы для коэффициента передачи инвертирующего масштабного преобразователя

Анализ на основе токовых соотношений.

U(-)-(+)=0 m1→1

Uвх→R1,

Iос = Iвх + Iвх1 ( RВХ ОУ →∞ Iвх1=0 Iос = Iвх

URос=Iвх∙ Rос Uвых= URос

Анализ на основе соотношений напряжений.

U_вых=К₀(U_вх+-U_вх-) U_вх+=0

U _вх-= часть U_вх с делителя

часть U_вых, подаваемого через R_ос

Тогда

Лекция 5. Аналоговые устройства на ОУ

Усилитель (рис. 5.1.) называется инвертирующим по той причине, что его выходной сигнал находится в противофазе с входным.

Рис.5.1. Инвертирующий усилитель на ОУ

Коэффициент усиления усилителя по постоянному току в первом приближении определяется формулой:

, (5.1.)

а в диапазоне частот:

,

где – граничная частота ОУ по уровню 0,0707 k₀.

Важным достоинством инвертирующего усилителя является отсутствие на его входах синфазного сигнала, поскольку за счет обратной связи на его инвертирующем входе действует практически нулевое напряжение. Это замечательное свойство инвертирующего усилителя позволяет решать многие задачи прикладной электроники.

Рис.5.2. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Коэффициент усиления по постоянному току неинвертирующего усилителя (рис.5.4.) в первом приближении может быть определен из условия, что напряжения на входных зажимах ОУ U₊=U_-, откуда

(5.2.)

Дифференциальные усилители (ДУ) применяются в качестве масштабирующих преобразователей в датчиках (чаще дифференциального типа) с малым выходным сигналом в условиях сильных промышленных помех, например термопар, термометров сопротивлений, емкостных датчиков, датчиков биотоков и т.п.

Простейшая схема ДУ (рис.5.3.) содержит делитель напряжения на неинвертирующем входе ОУ для выравнивания коэффициентов усиления сигналов U₁ и U₂, поскольку он для этого входа составляет (1+R₂/R₁), а для инвертирующего равен К = – R₂/R₁.

Схема (рис.5.3) находит достаточно широкое применение, хотя и обладает недостатками, заключающимися в сравнительно низком входном сопротивлении и наличии синфазной составляющей, которая в некоторых случаях практического применения может привести к нарушению режимов работы ОУ. Синфазная составляющая для такого ДУ по обоим входам составляет

U_синф = U₂ [R₂/(R₁+ R₂)].

Рис. 5.3. Усилитель разности входных сигналов

(дифференциальный усилитель)

Обычно R1 = R3, R2=R4. Выходное напряжение такого усилителя для дифференциального сигнала можно определить по формуле:

(5.3.)

Рис. 5.4. Инвертирующий масштабный сумматор

Сумматор относится к аналоговым вычислительным устройствам. Он используется в различных измерительных преобразователях и корректирующих звеньях, а также при моделировании систем автоматического управления (САУ).

Схема трехвходового сумматора представлена на рис. 5.4. Каждый вход сумматора соединяется с инвертирующим входом ОУ через взвешивающий резистор (R1, R2, R3). Инвертирующий вход называется суммирующим узлом, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи. Как и в обычном инвертирующем усилителе, напряжение на инвертирующем входе практически равно нулю (из-за действия ООС), следовательно, равен нулю и ток, втекающий в ОУ.

Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму напряжений и меняет ее знак на обратный.

(5.4.)

Масштабный коэффициент по каждому входу может задаваться отдельно

Исходя из диапазона изменения входных сигналов, для предотвращения потери информации масштабные коэффициенты выбираются по следующему соотношению: .

Интегратор – это электронная схема, выходной сигнал которой пропорционален интегралу от входного. Принципиальная схема простейшего инвертирующего интегратора показана на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Простейший интегратор

При включении операционного усилителя (ОУ) с частотно-зависимой отрицательной обратной связью (ООС), когда выход усилителя соединен через конденсатор с его инвертирующим входом, сигнал на выходе схемы определяется соотношением:

. (5.5)

При воздействии постоянного напряжения на входе, напряжение на выходе интегратора является линейной функцией времени.

.(5.6.)

Если входное напряжение действует неопределенно долгое время, выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока не достигнет величины напряжения насыщения.

Дифференциатор можно получить, если поменять в схеме местами резистор и конденсатор.

Рис.5.6. Дифференцирующая схема

Дифференциатор создает выходное напряжение, пропорциональное скорости изменения входного. Передаточная характеристика такой схемы

(5.7.)

Логарифмирующий усилитель можно построить, используя свойства ВАХ диода

Рис.5.7 Схема логарифмирующего усилителя

Уравнение передаточной характеристики схемы : (5.8.)

Лекция 6. Генераторы синусоидальных колебаний

Генераторы синусоидальных колебаний осуществляют преобразование энергии источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты.

Структурная схема

Обычно RC-генератор представляет собой замкнутую систему с положительной обратной связью (рис.6.1), которая содержит: источник питания, фазирующую избирательную RC-цепь, состоящую из конденсаторов и резисторов и определяющую частоту колебаний, активный элемент в виде усилителя, служащий для компенсации потерь в фазирующей цепи, нелинейный элемент, ограничивающий амплитуду колебаний. Звено ПОС обеспечивает устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте.

Рис. 6,1. Структурная схема

генератора синусоидальных колебаний.

Входным сигналом для усилителя в схеме генератора является часть его выходного напряжения, передаваемая звеном ПОС (β_пос < 1). Для работы схемы в режиме генерации необходимо выполнение двух условий. Первое характеризуется тем, что фазовые сдвиги сигнала, создаваемого усилителем ( ) и звеном ПОС ( ), в сумме должны быть кратны :

(6.1)

Это соотношение определяет условие баланса фаз. Второе условие находится из выражения:

(6.2)

Для получения на выходе генератора напряжения синусоидальной формы требуется, чтобы соотношения (6.1) и (6.2) выполнялись только при одной частоте.

Физический смысл неравенства заключается в следующем. Сигнал, усиленный усилителем в К раз и ослабленный звеном обратной связи в β раз, при выполнении условия (6.1) возникает вновь на входе усилителя в той же фазе, но с большей амплитудой.

Иными словами, это неравенство определяет необходимое условие для самовозбуждения генератора, когда первоначальные изменения токов и напряжений в схеме усилителя, появившееся после его подключения к источнику питания, вызывают прогрессирующее нарастание амплитуды сигналов соответствующей частоты на входе и выходе усилителя. Равенство соответствует переходу генератора к установившемуся режиму работы, когда по мере увеличения амплитуды колебаний происходит уменьшение коэффициента усиления К усилителя из-за проявления нелинейности характеристик транзистора при больших амплитудах сигналов. В стационарном режиме сигналы на входе и выходе генератора соответствуют некоторым установившимся значениям благодаря компенсации усилителем ослабления сигнала, создаваемого звеном обратной связи (условие баланса амплитуд).

Генератор гармонических (синусоидальных) колебаний строится на основе усилителя, охваченного положительной обратной связью. Колебания возникают при условии выполнения баланса фаз и баланса амплитуд только на одной частоте ( в возможно более узком диапазоне). Для упрощения запуска и улучшения формы колебаний вместо резисторов в цепи ООС применяют схему автоматической регулировки усиления (АРУ).

Условие баланса фаз φ _К + φ _β = 0 обеспечивает существование в схеме ПОС.

Условие баланса амплитуд β_ОС • К = 1 требуется для передачи энергии по замкнутому контуру усилитель – цепь ОС без потерь, тогда колебания будут незатухающими

RC-автогенераторы предназначены для работы на инфранизких (от долей герц) и звуковых частотах и в этом диапазоне имеют преимущества перед LC-автогенераторами из-за высокой стабильности частоты генерируемых сигналов, что связано с возможностью применения высокостабильных резисторов и конденсаторов. По сравнению с LC-генераторами RC-генераторы той же выходной мощности имеют меньшие габариты и массу.

Самые разные виды генераторов гармонических колебаний могут быть построены на основе ОУ. Если требуется получить синусоидальное переменное напряжение низких или средних частот, то удобнее всего применить один из вариантов RC-генераторов.