3.2. Аналоговые схемы на оу

При анализе аналоговых схем ОУ представляется идеальным усилителем, имеющим бесконечно большие значения входного сопротивления и коэффициента усиления. В этом случае параметры, характеризующие функциональные свойства аналоговых схем, не зависят от параметров самого ОУ.Основным преимуществом аналоговых устройств на ОУ является их высокая стабильность, которая достигается за счет введения отрицательной обратной связи.

3.2.1. Усилители на ОУ

Входной сигнал в усилителях на ОУ может подаваться как на инвертирующий, так и на неинвертирующий входы. Соответственно в первом случае при усилении происходит инверсия сигнала, а во втором случае инверсия отсутствует. Так при подаче синусоидального напряжения на инвертирующий вход ОУ осуществляется сдвиг фазы усиливаемого сигнала на 180°, а сдвиг фазы отсутствует, если такое напряжение подается на неинвертирующий вход. Схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей на ОУ приведены на рис.3.5 и 3.6.

Рис.3.5. Схема инвертирующего Рис.3.6. Схема неинвертирующего

Усилителя на оу усилителя на оу

В инвертирующем усилителе входной сигнал через резистор R₁ подается на инвертирующий вход ОУ, а неинвертирующий вход заземлен. В цепь обратной связи включен резистор R_ос.

Соотношение для расчета коэффициента усиления инвертирующего усилителя получается при использовании первого закона Кирхгофа, записанного для узла “а” на входе ОУ. Поскольку при бесконечно большом входном сопротивлении ОУ ток на его входе пренебрежимо мал, можно записать

i = i. (3.1)

Откуда согласно закону Ома

, (3.2)

где u и u - напряжения на входе и выходе усилителя, а u - напряжение между входами ОУ, которое связано с выходным напряжением через коэффициент усиления собственно ОУ

u= . (3.3)

Выходное напряжение является конечной величиной, что при бесконечно большом значении коэффициента усиления ОУ обеспечивается при нулевой величине напряжения u. С учетом этого соотношение (3.2) примет вид

. (3.4)

Откуда коэффициент усиления по напряжению усилителя

К_uИ = - , (3.5)

где знак “минус” в правой части указывает на инверсию сигнала при усилении. При R= R К_u = - 1, и схема будет проявлять свойства инвертора входного сигнала.

Как следует из проведенного анализа, величина входного тока, протекающего по резистору Rсхемы рис.3.5, равна u/ R. Поэтому входное сопротивление инвертирующего усилителя является конечной величиной и определяется как

R _И = = R. (3.6)

В схеме усилителя рис.3.6 входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Напряжение обратной связи uподается на инвертирующий вход через делительную цепочку, составленную из резисторов Rи R

u= u = χ u. (3.7)

Поскольку напряжение uмежду входами ОУ близко к нулю, величины входного напряжения и напряжения uможно считать одинаковыми. Таким образом, из соотношения (3.7) можно определить коэффициент усиления по напряжению

К_uн = = 1 + . (3.8)

При исключении из схемы резистора R(R →∞)и при R= 0 К_uн = 1 и неинвертирующий усилитель трансформируется в повторитель.

Соотношение для расчета входного сопротивления неинвертирующего усилителя можно получить следующим образом. Как видно из рис.3.6, величина напряжения на входе усилителя при учете напряжения u_омежду входами ОУ и соотношения (3.7)

u= u_о + u= u_о + χ u= u_о (1 + χ К_uОУ). (3.9)

Откуда входное сопротивление неинвертирующего усилителя

R_вхн = = (1 + χ К_uОУ)= R_вхОУ(1 + χ К_uОУ), (3.10)

т.е. в отличие от входного сопротивления инвертирующего усилителя оно оказывается существенно больше входного сопротивления ОУ.

Рис.3.7. Передаточная характеристика

неинвертирующего усилителя

в сравнении с соответствующей ветвью

передаточной характеристики ОУ (пунктир)

Как инвертирующий, так и неинвертирующий усилители характеризуются достаточно широким интервалом значений входных напряжений, в которых обеспечивается усиление без искажений сигнала. При этом их работа ограничена значением ± U_{вых max}выходного напряжения, определяемым используемым ОУ. В качестве примера на рис.3.7 приведено сравнение передаточной характеристики неинвертирующего усилителя и соответствующей ветви передаточной характеристики ОУ (пунктир). Кроме того, оба эти усилители характеризуются весьма малой величиной выходного сопротивления, которая существенно меньше аналогичной величины ОУ и определяются соотношением (2.25) для усилителей, охваченных отрицательной обратной связью.

Как следует из соотношений (3.5) и (3.8), коэффициенты усиления определяются лишь соотношением между сопротивлениями Rи R. Однако это не означает, что сопротивления этих резисторов могут выбираться любыми. Значения сопротивлений, с одной стороны, должны быть большими, поскольку в противном случае в цепях усилителей будут протекать большие токи, величины которых ограничиваются нагрузочной способностью ОУ. С другой стороны, сопротивления резисторов Rи Rдолжны быть существенно меньше входного сопротивления ОУ для обеспечения условий, при которых были получены соотношения (3.5) и (3.8). Обычно сопротивления этих резисторов находятся в пределах10³ - 10 Ом. Необходимо также отметить, что в данных пределах находятся сопротивления резисторов и других аналоговых схем на ОУ.