10. Применение операционных усилителей.

Функциональные свойства операционных усилителей в значительной степени определяются наличием обратной связи, которой он охвачен. Построение цепей обратной связи определяет не только основные показатели усилителя. но и характер выполняемых им преобразований входного сигнала.

Коэффициент усиления ОУ как схемы, охваченной обратной связью, определяется отношением

К_{U ОС} =

Разделив числитель и знаменатель на К_U , получим

К_{U ОС} =

Так как коэффициент усиления ОУ К_U очень большой (К_U >> 1), то

К_{U ОС} ≈ 1 / β.

Таким образом, коэффициент усиления определяется элементами, входящими в цепь обратной связи.

Рассмотрим некоторые типовые применения ОУ.

В аналоговых устройствах операционный усилитель работает, как правило, в линейном режиме. В этом случае напряжение на его выходе

U_ВЫХ = K U_ВХ. Обычно U_ВЫХ = 10 –12 В, а К =10⁴ – 10⁶ . При этих условиях при анализе схем можно принимать входное напряжение равным нулю.

Если входной сигнал поступает на неинвертирующий вход (рисунок 33), фазы входного и выходного сигналов совпадают. Цепь обратной связи между выходом и инвертирующим входом образована резисторами R1 и R2.

Рисунок 33 Неинвертирующий усилитель

В этом случае коэффициент передачи цепи обратной связи

β = R ₁/ ( R₁ + R₂)

и коэффициент усиления

К_{U ОС} = 1 / β = 1 + R₂ / R₁.

Если R₂ = 0 и R₁ = ∞ , то К_{U ОС} = 1 и операционный усилитель становится неинвертирующим повторителем.

Инвертирующий усилитель (рисунок 34) осуществляет инверсию фазы входного сигнала.

Рисунок 34 Инвертирующий усилитель

Так как можно принять U_ВХ =0, имеем I₁ = e_c / R₁ и I₂= – U_ВЫХ / R₂. У идеального операционного усилителя I_ВХ =0, тогда I₁ = I₂ .

На основании этого получаем

К_{U ОС} = – U_ВЫХ / е_с = – R₂ / R₁.

Если принять R₂ = R₁ , то схема преобразуется в инвертирующий повторитель с коэффициентом передачи К_{U ОС} = – 1.

Амплитудные характеристики для неинвертирующего и инвертирующего усилителей изображены на рисунке 35.

Рисунок 35 Амплитудные характеристики.

Изменяя соотношение сопротивлений R₂ и R₁ можно изменять коэффициент усиления усилителя, при этом будет изменяться наклон амплитудной характеристики.

11. Компараторы на операционных усилителях.

Компаратор предназначен для сравнения двух напряжений, поступающих на его входы, и выдачи сигнала об их соотношении. В этом режиме в операционном усилителе отсутствует обратная связь и коэффициент усиления имеет свое максимальное значение.. В схеме однопорогового компаратора с двумя входами (рисунок 36) можно подавать сравниваемые сигналы на оба входа, или на один из входов подать напряжение опорного сигнала, а на второй сравниваемый с ним сигнал.

а) б)

Рисунок 36 Однопороговый компаратор

Если U₁ > U₂ , выходное напряжение максимально и равно U _МАКС. (рис.36 ,б), а при U₁ < U₂ выходное напряжение – минимально и равно U _МИН. Опорное напряжение U_ОП положительное, отрицательное или равное нулю можно подключать к любому входу ОУ.

Точность сравнения напряжений по входам оценивается величиной (U_МАКС - U _МИН) /К_U.

Поскольку К_U =(1-5)10⁴ , то при |U_МАКС |= |U _МИН| =5 В точность сравнения составит 0,024 – 0,12 мВ.

Двухпороговый компаратор (рисунок 37) фиксирует, находится ли входное напряжение U_ВХ между двумя заданными пороговыми напряжениями U₁ и U ₂ , или находится вне этого диапазона. Будем полагать, что все напряжения U_ВХ, U ₁ и U₂ положительные.

Пока U₁ > U_ВХ > U₂ на выходе операционных усилителей DA1 и DA2 будет высокий положительный уровень напряжения ( временные диаграммы Х1 и Х2 на рисунке 37,б).

а) б)

Рисунок 37 Двухпороговый компаратор

Если входное напряжение станет больше U_1, на выходе усилителя DA1 напряжение станет отрицательным.

Если входное напряжение станет меньше U₂, отрицательное напряжение появится на выходе усилителя DA2.

Выходы DA1и DA2 можно подключить к логической схеме “И”, которая будет фиксировать результат совместной работы двух пороговых компараторов.