5.Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.
6.Напряжение смещения нуля равно нулю.
10.1.Инвертирующий усилитель
Так как |
ОУ имеет большой коэффициент усиления КУС, |
то даже |
малое входное напряжение UВХ. ДИФФ. из-за |
асимметрии или из-за нестабильности способно перегрузить ОУ, вызвать смещение или сдвиг постоянного напряжения на выходе Uвых. от 0 до Uмах, что может привести к режиму насыщения и к потере способности усиления.
Вследствие этого в ОУ всегда применяется ООС, которая обеспечивает хорошую стабильность показателей. Одна из базовых схем ОУ - схема инвертирующего усилителя с внешней ОС (рис.10-1).
На основе этой схемы строятся все остальные.
рис.10-1
В.А.Галочкин |
171 |
Схемотехника телекоммуникационных устройств |
На схеме |
не показаны цепи |
питания |
и другие дополни- |
|||
тельные |
цепи. Входной |
сигнал подается |
на инверти- |
|||
рующий вход. |
|
|
|
|
|
|
Выходной сигнал UВЫХ |
|
находится |
в противофазе с |
|||
входным UВХ. |
|
|
|
|
|
|
R1 - внутреннее сопротивление генератора ЕГ (RГ). Не- |
||||||
инвертирующий вход соединен через R2 с корпусом. Че- |
||||||
рез RОС подаетсяпараллельная ООС по напряжению. |
||||||
Предположим, что ОУ - |
идеальный: ∆UВХ. Д. = 0, КД = ∞, |
|||||
RВХ.Д. = , RВЫХ = 0, IВХ.Д. = 0. Так как |
UВХ. Д. = 0, то все |
|||||
напряжение от ЕГ |
падает на R1; а UВЫХ - |
на RОС; та- |
||||
ким образом точка |
А - это |
«точка виртуального нуля», |
||||
«кажущийся нуль» |
|
|
|
|
|
|
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
Е |
U |
||
IГ = IОС; или |
Г |
|
ВЫХ |
, |
|
|
|||
|
R |
R |
||
|
1 |
|
ОС |
|
или коэффициент усиления инвертирующего усилителя (с ООС!) по напряжению:
К |
|
U |
R |
|
|
ВЫХ |
|
ОС |
|
|
R |
|||
U ИНВ. |
|
Е |
||
|
|
Г |
1 |
|
(что соответствует выражению для усилителя с параллельной ООС по напряжению в общем виде), т.е. КU ИНВ зависит только от Rос и R1 и не зависит от самого ОУ.
Для реального ОУ необходим учёт входного тока IВХ ОУ, т.е. если
IГ = IОС + IВХ,
172 |
В.А.Галочкин |
Схемотехника телекоммуникационных устройств |
то
К |
|
|
|
R |
R |
|||||
|
|
ОС |
1 |
|
|
|
||||
|
1 |
|
R |
|
|
R |
||||
|
U ИНВ. |
|
|
|
||||||
|
1 |
(1 |
ОС |
|
ОС |
) |
|
|||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
К |
R |
|
|
R |
|||
|
|
|
U ОУ |
1 |
|
|
ВХ ОУ |
|||
где КU ОУ - коэффициент усиления ОУ без ООС; |
||||||||||
Т.е. чем больше RВХ. ОУ и |
КU ОУ, тем |
больше приближе- |
||||||||
ние к «идеальному» соотношению |
|
|
|
|
|
|
||||
К |
|
R |
|
ОС |
. |
||
|
|||
UИНВ |
|
R |
|
|
! |
|
|
Например, если КU ОУ = 105 ; RВХ. ОУ = 10 кОм; RОС = 100 |
|||
кОм; R1=1 кОм; погрешность |
составляет < 0.1 %. |
||
Номиналы резисторов не должны превышать единицы МОм, иначе проявляется нестабильность из-за утечек в корпусе и т.д. Но расчётное значение RОС часто требуется более 1 МОм. Для его снижения применяют схему (рис10-2):
рис.10-2
В.А.Галочкин |
173 |
Схемотехника телекоммуникационных устройств |
Для этой схемы
R |
R |
R (1 |
R |
|
СВ |
) |
|||
|
||||
ОСЭКВ. |
ОС |
2 |
R |
|
|
|
|
3 |
|
и большое значение RосЭКВ. |
можно получить при |
|||||
меньшем значении RОС. |
|
|
|
|
||
Входное сопротивление RВХ. ИНВ. инвертирующего уси- |
||||||
лителя невелико из-за параллельной ООС. |
|
|||||
R |
R [ |
R |
1]|| R |
R , |
||
ОС |
||||||
К |
||||||
ВХ.ИНВ, |
1 |
|
ВХ.ОУ |
1 |
||
|
|
U ОУ |
|
|
|
|
т.е. при больших значениях КU ОУ |
R |
определяется |
||||
|
|
|
|
ВХ.ИНВ, |
|
|
величиной R1 . |
|
|
|
|
|
|
Рекомендуется значение R1 10 кОм. |
|
|||||
Выходное сопротивление RВЫХ.ИНВ. |
невелико и опре- |
|||||
деляется глубиной ООС. |
|
|
|
|
||
R
R ВЫХ.ОУ
ВЫХ.ИНВ. F (глубина ОС)
или
|
|
R |
К |
|
R |
|
ВЫХ .ОУ |
U ИНВ. |
|
К |
(без ОС) |
|||
ВЫХ .ИНВ. |
|
|||
|
|
U ОУ |
|
Полоса пропускания ОУ тем шире, чем меньше КU ИНВ. (рис10-3):
f f Т
В.ОС К
U ИНВ,
174 |
В.А.Галочкин |
Схемотехника телекоммуникационных устройств |
|
|
|
рис.10-3 |
|
Из выражения К |
|
R |
||
ОС |
видно, что изменять |
|||
|
||||
|
U ИНВ |
|
R |
|
|
|
! |
|
|
КU ИНВ. можно за счёт |
изменения R1 и RОС. Но, так как |
|||
R1 определяет RВХ , то желательно КUИНВ. изменять за счёт RОС.
10.2. Неинвертирующий усилитель
Входной сигнал подается на неинвертирующий вход. ООС подается на инвертирующий вход (рис.10-4). Т.е. ООС является последовательной (по входу) ОС по напряжению.
рис.10-4
В.А.Галочкин |
175 |
Схемотехника телекоммуникационных устройств |
Для идеального ОУ:
|
|
UВХ UВЫХ |
|
|
R1 |
, |
|
|
||
|
|
R R |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
ОС |
|
|
|
откуда |
|
|
RОС |
|
|
|
|
|
|
|
К |
UНЕИНВ. |
1 |
или |
|
К |
|
1 |
|
К |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||
|
|
R1 |
|
|
U НЕИНВ, |
|
|
U ИНВ, |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- соотношения справедливы при глубокой ОС (F>0), что имеет место практически.
Получение значения R1 + RОС |
≈ (0,5÷1) |
МОм реально. |
||||
Если RОС > 1 Мом, то |
|
необходимо |
применять Т- |
|||
образную цепочку включения (см. рис.10-2). |
||||||
Входное сопротивление RВХ. НЕИНВЕР. |
всегда велико: |
|||||
|
|
R |
К |
|
|
|
R |
|
ВХ .ОУ |
U ОУ |
|
||
|
|
|
|
|||
ВХ .НЕИНВЕР. |
|
К |
U НЕИНВЕР, |
|
||
|
|
|
|
|||
или RВХ. НЕИНВЕР. = RВХ.ОУ F. |
|
|
|
|
||
Обычно RВХ. = n ГигаОм. |
Так как ООС |
- по напряже- |
||||
нию, то Rвых неинверт. |
составляет несколько десятков |
|||||
Ом. |
|
|
|
|
|
|
10.3. Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель (ДУ), как и дифференциальный каскад (ДК) предназначен для усиления разности ∆UВХ , но в отличие от ДК он охвачен глубокой ООС (рис.10-5).
176 |
В.А.Галочкин |
Схемотехника телекоммуникационных устройств |
рис.10-5
Входные напряжения UВХ. 1. и UВХ. 2 подаются относительно земли.
Схема является сочетанием инвертирующего и неин-
вертирующего |
усилителей, |
причём |
для |
|
выравнивания |
||||||||||||||||||||
коэффициентов |
усиления |
|
напряжение |
UВХ. 2 |
|
|
подается |
||||||||||||||||||
через делитель R2 и R3 , т.е. оба входа имеют входные |
|||||||||||||||||||||||||
делители. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для идеального усилителя RВХ.Д. = ∞, |
RВЫХ = 0. |
||||||||||||||||||||||||
Если |
|
|
R |
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
R |
R |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
ОС |
|
|
|
|
3 |
|
|
или |
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
, |
||||
|
|
|
R R |
R |
R |
|
R |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
||||||||||||||
|
|
1 |
|
ОС |
|
|
|
3 |
2 |
|
|
|
|
|
ОС |
3 |
|
||||||||
то КU ИНВ. = КU НЕИНВ.. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
При этом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RОС |
|
|
|
|
|
|
|
RОС |
|
|
||||
U |
вых |
U |
вх2 |
U |
вх1 |
|
, т.е. |
К |
u |
|
. |
||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
R1 |
||||||||||||
Отсюда следует, что при UВХ. 1. |
|
= UВХ. 2 |
имеем |
UВЫХ. = 0, |
|||||||||||||||||||||
- т.е. схема нечувствительна к |
|
синфазной |
помехе (к на- |
||||||||||||||||||||||
водкам).
В.А.Галочкин |
177 |
Схемотехника телекоммуникационных устройств |
Для идеального (симметричного) усилителя коэффициент ослабления КООС = ∞ (для синфазного сигнала).
Для реальной ситуации при UВХ. 1. = UВХ. 2 = UВХ. СФ.
К RОС. UВХ .СФ
ООС R1 UВЫХ
(для соединённых вместе входа 1 и входа 2).
10.4.Устройства суммирования и вычитания
Устройства аналоговой обработки сигналов и их преобразования находят самое широкое распространение в современной р/электронике.
Практически все устройства - активные, т.е. с применением ОУ и соответствующей цепи ОС.
10.4.1.Инвертирующий сумматор
построен на основе инвертирующего усилителя
(рис.10-6):
рис.10-6
178 |
В.А.Галочкин |
Схемотехника телекоммуникационных устройств |
Для идеального ОУ КД = ∞, RВХ.Д. = ∞; при этом
IОС I1 I2 I3
или U1 /R1 U2 /R2 U3 /R3 UВЫХ ;
RОС
откуда UВЫХ RОС (U1 U2 U3 )
R1 R2 R3
т.е. на выходе имеем инвертированную сумму входных напряжений, взятых с соответствующими масштабными коэффициентами.
При R1 = R2 = R3
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
U (U U U ) |
ОС |
. |
|
|||
|
|
|
|||||
|
ВЫХ |
1 |
2 3 |
|
R |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
Резистор |
R предназначен для |
компенсации сдвига |
нуля |
||||
на выходе ОУ, обусловленному |
входным током |
IВХ. |
|||||
Выбирают |
R = [RОС || R1 || R2 || R3] , параллельно соединен- |
||||||
ные. |
|
|
|
|
|
|
|
10.4.2. Сумматор на основе неинвертирующего усилителя
Для схемы рис. 10-7:
Uвых K K1н U1 K2н U2 K3н U3 ,
где
R
К 1 ОС
R
1
В.А.Галочкин |
179 |
Схемотехника телекоммуникационных устройств |
Рис.10-7
а К |
R |
|
R |
, R |
R |
|| R |
|| R |
|| R |
ОСТ1 |
|
|
||||||
|
||||||||
1Н |
R R |
|
R |
|
0Н |
1Н |
2Н |
3Н |
|
1Н ОСТ1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1Н |
|
|
|
|
|
Здесь RОСТ. 1 - это общее сопротивление RΣ параллельного соединения резисторов без RН 1.
10.5. Интегрирующий усилитель
Операция интегрирования широко применяется при обработке электрических сигналов (рис.10-8).
180 |
В.А.Галочкин |
Схемотехника телекоммуникационных устройств |