Лекция 7 Применение операционных усилителей

Операционный усилитель без обратных связей практически не применяется. Многообразие видов обратных связей, а также способов их подключения позволяет синтезировать множество электронных схем. Можно выделить три основные схемы включения: инвертирующая, неинвертирующая и дифференциальная. Задачей анализа является нахождение функции преобразования входного сигнала, а также определение основных параметров: входного и выходного сопротивлений, полосы пропускания. При анализе воспользуемся понятием «идеальный операционный усилитель», что значительно упростит анализ, а результаты достаточно точны для практических целей.

7.1 Инвертирующее включение операционного усилителя

_{Инвертирующее включение операционного усилителя (рисунок 7.1) одно из самых распространенных. Оно используется в усилителях постоянного тока, в усилителях с емкостной связью, в интеграторах, в преобразователях напряжение – ток.}

_{Рисунок 7.1 - Инвертирующее включение ОУ}

Предварительно определим вид обратной связи, способ снятия и способ введения и их влияние на свойства схемы.

В схеме введена отрицательная обратная связь, т.к. напряжение с выхода поступает на инвертирующий вход. Фазовый сдвиг между входным напряжением и напряжением обратной связи равен . Коэффициент усиления с обратной связьюмного меньше, чем коэффициент усиления ОУ и определяется цепью обратной связи. Полоса пропускания схемы во много раз больнее, чем полоса пропускания ОУ.

Отрицательная обратная связь по напряжению, что обеспечивает малое выходное сопротивление, такая ОС стабилизирует выходное напряжение при изменении нагрузки, таким образом, схема будет являться почти идеальным источником напряжения.

Параллельный способ введения ОС приводит к малому входному сопротивлению схемы.

Эти выводы можно сделать на основании изучения раздела о влиянии обратной связи на свойства усилителей.

Рассмотрим работу схемы. Под действием входного напряжения в цепи резисторавозникает ток

(7.1)

который в точке а распределяется на два тока:- входной ток операционного усилителя

(7.2)

и - ток в цепи обратной связи

(7.3)

где .

Если ОУ идеальный, то

, . (7.4)

Выходное напряжение изменяется до тех пор, пока ток не сравняется с током, тогда

, (7.5)

а коэффициент усиления с обратной связью

. (7.6)

Знак минус показывает, что схема инвертирующая, т.е. напряжение на выходе находится в противофазе входному напряжению

К основным параметрам, характеризующим свойства усилителей, кроме коэффициента усиления с обратной связью , относятся входное сопротивление с обратной связьюи выходное сопротивление с обратной связью

(7.7)

, (7.8)

где - коэффициент обратной связи.

Частотные параметры УПТ определяют по амплитудно-частотным характеристикам (рисунок 7.2), которые строятся в логарифмическом масштабе в соответствии с уравнением

(7.9)

где - коэффициент усиления при нулевой частоте,

- частота верхнего среза, т.е. такая частота, при которой коэффициент усиления уменьшится в раз от своего максимального значения.

Рисунок 7.2 - Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика УПТ

Особую роль в этой схеме играет резистор , он служит для уменьшения влияния входных токов смещения. Его сопротивление, согласно правилу, должно быть равно сопротивлению постоянному току в цепи инвертирующего входа. В цепи инвертирующего входа входной ток смещения распределяется по двум резисторами, следовательно, для этого тока резисторы включены параллельно. Сопротивление резисторавыбирается равным сопротивлению параллельно соединенных резисторови.