9.2.5 Схемы усилителей на оу

Так как коэффициент усиления ОУ очень большой (10^{3 } 10⁵), то линейный участок передаточной характеристики мал (микровольты, единицы милливольт). Действительно, при К_U = 10⁵ и выходном напряжении 10 В (эта величина характерна для многих типов ОУ) входное напряжение будет равно:

U_вх = U_вых/K = 10/10⁵ = 10^-4 В

и для упрощенного анализа схем на ОУ, работающих в линейном режиме можно считать, что U_диф  0.

Кроме того, так как ОУ обладает высоким входным сопротивлением (сотни килоом, мегаом), то можно считать, что ток, протекающий между инвертирующим и неинвертирующим входами, также равен нулю. Это утверждение справедливо и для линейного режима и для режима насыщения. Для расширения линейного участка передаточной характеристики ОУ в усилителях используется ООС. Коэффициент усиления усилителя с ООС определяется соотношением:

К_ос = К/(1 - К)

Так как для ОУ К  , то К_ос -1/β - и, следовательно, К_ос определяется только параметрами цепи обратной связи.

9.2.5.1 Инвертирующий усилитель на оу

Для реализации инвертирующего усилителя входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий соединяется с общей шиной. Схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 9.6а.

а б

Рисунок 9.6 - Инвертирующий усилитель на ОУ

С учетом того, что U_д  0 и I_вх  0 можно записать

Знак "-" указывает, что выходной сигнал находится в противофазе с входным. Передаточная характеристика усилителя приведена на рисунке 9.6б.

9.2.5.2 Неинвертирующий усилитель на оу

Схема усилителя приведена на рисунке 9.7а, а передаточная характеристика на рисунке 9.7б. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход – сигнал ООС. При подаче входного

а б

Рисунок 9.7 - Неинвертирующий усилитель на ОУ

напряжения U_вых начнет возрастать до тех пор, пока не достигнет значения, при котором падение напряжения на R₁ от появившегося тока i_ос ≈  i₁ не создаст потенциал точки А, примерно равный U_вх. При _а  U_вх окажутся выполненными оба условия (I_вх  0, U_д  0) - это соответствует установившемуся режиму работы ОУ. При этом

U_вх  U_а = I₁R₁ = U_выхR₁/(R₁ + R_ос)

Откуда

U_вых = U_вх(R₁ + R_ос)/R₁ = U_вх(1 + R_ос/R₁)

Из этого следует, что К_ос неинвертирующего усилителя равен

К_ос = 1 + R_ос/R₁

9.2.5.3 Дифференциальный усилитель на оу

Схема усилителя приведена на рисунке 9.8.

Входные сигналы подаются на оба входа одновременно. Анализ работы будем вести учитывая, что U_д  0 и i_вх  0. Предварительно необходимо отметить, что если U_вх = 0, то усилитель по отношению к U₁ будет действовать как инвертирующий. Входной ток на неинвертирующем входе равен нулю (через R₂, R₄ ток не протекает) и U'_ос = 0. Если U₁ = 0, а сигнал подан на неинвертирующий вход, то по отношению к U₂ усилитель будет действовать как неинвертирующий.

Рисунок 9.8 - Дифференциальный усилитель на ОУ

При этом

U  = U₂R₄/(R₂ + R₄)

Если поданы оба напряжения, то сигнал на инвертирующем входе вызовет такое изменение выходного напряжения, что потенциал точки А примерно станет равным потенциалу точки Б, т.е.

U_ос  U  

Так как i₁  i_ос, i₂  i  ,  U_д  0, то

Откуда

При условии, что R₁ = R₂, R₃ = R₄ = R_ос (коэффициенты передачи по обоим входам одинаковы) для U_вых можно получить соотношение

U_вых = R₃(U_ос/R₃ + U_ос/R₁ – U₁/R₁) = U_осR₃(1/R₃ + 1/R₁) – U₁R₃/R₁ = =U₂R₄/R₁ – U₁(R₃/R₁) = R_ос/R₁(U₂ – U₁).

Исходя из этого следует, что сигнал на выходе пропорционален разности входных напряжений, а К_ос при условии равенства сопротивлений равен

Передаточная характеристика для такого усилителя приводится или в виде двух кривых отдельно по каждому входу или в виде зависимости U_вых = (U₂ – U₁). При этом ее вид совпадает с характеристикой для неинвертирующего усилителя.