1.14. Применение операционных усилителей

ОУ находят широкое применение для усиления постоянных и переменных напряжений и токов. В зависимости от того, на какой вход ОУ подан входной сигнал, различают инвертирующее и неинвертирующее включение ОУ.

На рис. 5.3, а приведена схема инвертирующего усилителя, в которой используется параллельная обратная связь по напряжению.

Будем полагать, что ОУ обладает свойствами идеального ОУ. Основным видом ООС является параллельная отрицательная обратная связь по напряжению с включением дополнительного сопротивления. Обобщенная схема ОУ с ООС представлена на рис.4

Рис.4

Учитывая виртуальные нули ОУ, имеем:

Отсюда .

Таким образом, коэффициент передачи схемы равен

. Он определяется только внешними сопротивлениями; следовательно, можно реализовать любое заданное значение, поэтому этот тип схемы называется инвертирующим масштабным усилителем.

В реальном ОУ во входных цепях протекают небольшие токи. Из-за того, что входные токи не равны нулю, они создают дополнительное напряжение на резисторах, подключенных к инвертирующему входу. Для уменьшения влияния входных токов в схеме рис. 5.3, а включен резистор между неинвертирующнм входом и общей шиной. Проведем оценку величины сопротивления этого резистора. Предположим, что входные токи ОУ одинаковы и равны I_вх. Падение напряжения на резисторе R₂ за счет входного тока U_ни = –I_вхR₂.

Так как усилитель охвачен отрицательной обратной связью, то U_и = U_ни, тогда

I_г = (U_г+I_вхR₂)/R₁.

Ток через резистор R_ос

I_ос = I_г – I_вх

Рис. 5.3. Схема включения ОУ: а — инвертирующий усилитель; б — неинвертирующий усилитель; в — сумматор; г — дифференциальный усилитель на одном ОУ; д — дифференциальный усилитель на двух ОУ

Из второго закона Кирхгофа следует, что

Из полученного выражения видно, что если сопротивление резистора R₂=R₁||R_ос, то на выходе ОУ не возникает искажений за счет входного тока. Напряжение на инвертирующем входе ОУ в схеме рис. 5.3, а

Если К_осR_ос/R₁<<К (т. е. в усилителе применена глубокая отрицательная обратная связь), то напряжение U_и стремится к нулю. Точку А называют потенциально заземленной точкой, потому что се потенциал равен потенциалу земли (общей шины).

Инвертирующий сумматор с заданным весовым коэффициентом

Рис.5

Так как ОУ работает в линейном режиме, то для определения U_вых может быть использован метод суперпозиции: можно U_вых получить как сумму U_вых,n .Учитывая тот факт, что входной ток ОУ равен нулю, имеем , Таким образом,

Сумматор можно было бы выполнить и без применения ОУ. Однако в этом случае результат зависел бы от сопротивления нагрузки, а Uвых получилось бы значительно меньшим любого из U_вх.

Неинвертирующий усилитель

(Обобщенная схема 2)

Рис. 6

Эта схема называется неинвертирующим масштабным усилителем. Так как здесь напряжение обратной связи подводится к инвертирующему входу, а сигнал подается на неинвертирующий вход, входное сопротивление схемы оказывается очень высоким.

Неинвертирующий повторитель

Рис. 7

Здесь . Эта схема обладает достоинствами идеального повторителя напряжения, имеющего очень высокое входное и очень низкое выходное сопротивления.

Вычитатель

Рис. 8

Следовательно, , т.е. схема выполняет операцию вычитания.

Линейная комбинация входных сигналов.

В некоторых случаях необходимо складывать и вычитать сигналы с различными весовыми коэффициентами. Комбинируя схемы вычитателя и сумматора можно получить соответствующие устройства (см. Рис. 9).

Рис. 9

что означает линейную комбинацию сигналов с заданными коэффициентами.