Курс СТУ_Заочники_Никитин / КурсСТУ-4-РазнОУНапр_Ник_140116

Ю.А. Никитин

Курс СТУ

Тема 4

Разновидности ОУ напряжения

В инженерной практике при построении схем используют, в подавляющем числе случаев, усилители напряжения. Это связано как с традицией, восходящей к ламповым схемам, так и с предложениями рынка комплектующих – подавляющее большинство микросхем ОУ суть усилители напряжения.

Кроме того, параметры каскада ИНУН, собранного на ОУ наиболее привлекательны в большинстве применений: входное сопротивление каскада велико и он не нагружает предыдущий каскад, а выходное сопротивление каскада малое, что позволяет использовать самую разнообразную нагрузку. Поэтому остановимся подробнее на задании коэффициента усиления ОУ с помощью цепи ООС и использовании ОУ напряжения в линейной схемотехнике.

Предварительно заметим, что любой реальный усилитель, в том числе и ОУ, в отличие от идеального, имеет конечную полосу пропускания (рис.4.1)

,

что заставляет изменить его эквивалентную схему, сделав ее более реалистичной – рис.4.2.

4.1 Инвертирующий ОУ

При выводе формул (7)…(9) мы не рассматривали способы реализации цепей α и β. Рассмотрим конкретную реализацию ООС для инвертирующего включения ОУ напряжения – рис.4.3.

Запишем на основании известного правила Кирхгофа

или

Учтем, что и после несложных преобразований запишем

(4.1)

При A_V → ∞

, (4.2)

т.е. дли инвертирующего входа.

При конечном значении коэффициента усиления ОУ A_V возникает погрешность тем большая, чем меньше значение A_V или, что точнее, чем меньше значение петлевого усиления βA_V:

4.2 Неинвертирующий ОУ

В случае неинвертирующего включения ОУ напряжения (рис.4.4) можно записать

Учтем, что U₁ – U₃ = U_ДФ, т.е. U₁ ≈ U₃. При выполнении условия A_V → ∞ получим

т.е. (4.3)

Для неинвертирующего ОУ, как и для инвертирующего, при конечном значении коэффициента A_V возникает погрешность тем большая, чем меньше значение A_V или, что точнее, чем меньше значение петлевого усиления βA_V:

В частном, но распространенном случае, резистор R₁ отсутствует, а резистор R₂ = 0 и неинвертирующий ОУ превращается в повторитель напряжения с A_{V_F} = 1 (рис.4.5). Он характеризуется высоким входным и низким выходным сопротивлениями и удобен для «развязки» цепей с «неудобным» сочетанием импедансов.

Повторитель напряжения

Рис.4.5

Если же в схеме присутствует разделительный конденсатор, то необходимо предусмотреть путь для входного тока ОУ I_ВХ, например, через резистор R₁, как показано на рис. 4.5. Желательно, чтобы входной ток ОУ не создавал на резисторе утечки R₁ значительного падения напряжения. Для выравнивания напряжений смещения на входах целесообразно цепь ОС замкнуть через резистор R₂ такого же номинала, как и резистор R₁. Резистор R₂ можно не ставить, если выполняется условие I_ВХ R₁ << U_{ДОПУСТИМОЕ}.

В тех случаях, когда от каскада на ОУ требуется усиление, соизмеримое с A_V, величина резистора ОС (R₂) на предыдущих схемах может достигать очень больших значений, что не всегда приемлемо. Возможно разделение резистора ОС на два и более каскадов ОС так, как показано на рис.4.6

Каскадируемая ОС

Рис.4.6

4.3 Инвертирующий сумматор

Инвертирующий ОУ удобно использовать для суммирования входных напряжений – рис. 4.7.

Инвертирующий сумматор напряжений

Рис.4.7

Примем, что A_V →∞, R_ВХ+ >> R₆ и R₆ = R₁ || R₂ || R₃ || R₄ || R₅. Тогда для входных сигналов V₁…V₄ можно записать:

A_{V1_F} = – R₅/R₁; A_{V2_F} = – R₅/R₂ A_{V3_F} = – R₅/R₃ A_{V4_F} = – R₅/R₄.

Входные сигналы полностью развязаны, т.е. их взаимное влияние отсутствует вследствие виртуального нулевого потенциала на инвертирующем входе ОУ. Точность коэффициентов передачи по всем каналам одинакова, но зависит от сопротивлений источников сигналов V₁…V₄: их неравенство влечет за собой дополнительную погрешность суммирования.

4.4 Неинвертирующий сумматор

Для суммирования входных напряжений можно использовать и неинвертирующий усилитель – рис.4.8, но при этом могут возникнуть некоторые проблемы.

Неинвертирующий сумматор напряжений

Рис.4.8

Существенный недостаток схемы – отсутствие точки виртуального нуля на неинвертирующем входе. Вследствие этого изменение коэффициента передачи любой входной ветви влечет за собой изменение коэффициентов передачи остальных входных ветвей. Если соблюсти следующие условия

,

,

то коэффициенты передачи сумматора по парциальным каналам можно будет определить по следующим формулам

4.5 Дифференциальное включение ОУ

Рассмотрим дифференциальную схему включения ОУ (рис.4.9). Учтем, что в идеальной модели ОУ A_V →∞ и вследствие этого U_ВХ+ ≈ U_ВХ–, так что U_ВХ+ - U_ВХ– ≈ 0. Кроме того, входные токи ОУ равны нулю. Тогда можно записать

.

Дифференциальное включение ОУ

Рис.4.9

Поскольку U_ВХ+ ≈ U_ВХ–, то

и

Если R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = R, тогда .

Если R₁ = NR₃ и R₂ = NR₄, тогда .

Однако, входное сопротивление схемы рис.4.9 разное по разным входам. По инвертирующему входу R_ВХ- = R₄, в то время, как по неинвертирующему входу – R_ВХ+ = R₁ || R₃.

Дифференциальный коэффициент усиления

Коэффициент ослабления синфазного сигнала вследствие неидентичности резисторов

Схема дифференциального усилителя по схеме рис.4.9 находит применение при работе от низкоомных источников при невысоких требованиях к подавлению синфазной составляющей входного сигнала.

4.7 Инструментальный ОУ

Инструментальные ОУ используют для преобразования потенциалов незаземленных источников сигналов в напряжение на заземленной низкоомной нагрузке.

В схеме рис.4.9 разностный сигнал на входе ОУ можно трактовать как синфазный; наличие такого сигнала в реальных схемах нежелательно. На рис.4.10 приведена схема дифференциального усилителя на двух ОУ, которая лишена этого недостатка. Синфазный сигнал на ее входах отсутствует, поскольку неинвертирующие входу ОУ подсоединены к нулевому потенциалу (земле).

Первый ОУ (X1) работает как инвертирующий повторитель напряжения V₁, а второй ОУ (X2) – как инвертирующий сумматор с коэффициентом передачи по парциальным входам R₂/R₁. Недостатком схемы является ее невысокое входное сопротивление.

Дифференциальный усилитель без синфазной помехи

Рис.4.10

Более совершенная схема инструментального ОУ приведена на рис.4.11. Оба ОУ включены как неинвертирующие усилители, причем усилитель X2 как дифференциальный. Такая схема обеспечивает значительно более высокий входной импеданс, но подавление синфазного сигнала определяет неидентичность коэффициентов передачи по входам, т.е. точность выполнения соотношения R₁/R₂ = R₃/R₄.

Дифференциальный коэффициент усиления равен

.

Коэффициент передачи для синфазного сигнала равен

и

.

Инструментальный ОУ с высоким входным сопротивлением

Рис.4.11

Наиболее широкое применение в схемотехнике микросхем инструментальных усилителей получила структура на трех ОУ, представленная на рис.4.12. Усилители X1 и X2 – неинвертирующие усилители с высоким входным сопротивлением. Усилитель X3 – дифференциальный усилитель. Для нахождения коэффициента передачи напишем следующие уравнения:

.

Инструментальный ОУ на трех ОУ

Рис.4.12

Следовательно

Коэффициент усиления синфазного сигнала вследствие неидентичности резисторов

и

Для получения максимального значения КОСС необходимо выполнить условие R₇R₄ = R₆R₅ или, что то же самое, R₅/R₄ = R₇/R₆.

На рис.4.13 приведены возможные варианты формирования АЧХ усилителя на ОУ с помощью корректирующих звеньев первого порядка (RC звеньев).

17