
- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
- •1.1. Преобразователи тока в напряжение
- •1.2. Преобразователи напряжения в ток
- •1.3. Инвертор напряжения
- •1.4. Усилители тока
- •1.5. Фазовращатели
- •1.6. Модуляторы
- •1.7. Конверторы сопротивлений
- •1.8. Выпрямители переменных напряжений с малыми амплитудами
- •1.9. Интеграторы
- •1.10. Дифференциаторы
- •Контрольные задания
- •2. УСИЛИТЕЛИ С ОДНОПОЛЯРНЫМ ПИТАНИЕМ
- •2.1. Возможность использования обычных операционных усилителей в режиме однополярного питания
- •2.2.1. Инвертирующие усилители
- •2.2.2. Инвертирующий сумматор
- •2.2.3. Неинвертирующий усилитель
- •2.2.4. Повторитель напряжения
- •2.3. Операционные усилители с малыми потерями напряжения питания (Rail-to-Rail) с однополярным питанием
- •Контрольные задания
- •3.1. Общие сведения
- •3.2. Принцип построения парафазных усилителей
- •3.3. Устройство дифференциальных усилителей и основные определяющие их параметры
- •3.4. Схемы включения дифференциальных усилителей
- •Контрольные задания
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Смещение рабочей точки
- •4.3. Инвертирующий усилитель
- •4.4. Инвертирующий сумматор
- •4.5. Неинвертирующий усилитель
- •4.6. Неинвертирующий сумматор
- •4.7. Разностный усилитель
- •Контрольные задания
- •5. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ (ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ) УСИЛИТЕЛИ
- •5.1. Синфазные помехи в измерительных системах
- •5.2. Примеры измерительных схем с синфазной составляющей
- •5.3. Инструментальный усилитель на одном операционном усилителе
- •5.4. Измерительный усилитель на двух операционных усилителях
- •5.5. Измерительный усилитель на трех операционных усилителях
- •5.6. Основные электрические параметры измерительных усилителей
- •5.7. Использование дополнительных выводов
- •Контрольные задания
- •6. ИЗОЛИРУЮЩИЕ (РАЗВЯЗЫВАЮЩИЕ) УСИЛИТЕЛИ
- •6.1. Назначение изолирующих усилителей
- •6.2. Трансформаторный развязывающий усилитель
- •6.3. Развязывающий усилитель с конденсаторной связью входной и выходной секций
- •6.4. Усилители с оптической развязкой
- •6.5. Сравнение изолирующих усилителей
- •Контрольные задания
- •7. ЛОГАРИФМИЧЕСКИЕ И АНТИЛОГАРИФМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
- •7.2. Принцип построения преобразователей
- •7.3. Логарифмические преобразователи
- •7.4. Антилогарифмический преобразователь
- •7.5. Коммерчески доступные логарифмические и экспоненциальные преобразователи
- •Контрольные задания
- •8. УСИЛИТЕЛИ ЗАРЯДА
- •8.1. Преобразование механических воздействий в электрический сигнал
- •8.2. Усилители заряда с низкоомным входом
- •8.3. Усилители заряда с высокоомным входом
- •Контрольные задания
- •9.1. Усилители с цифровым управлением
- •9.2. Усилители, управляемые напряжением
- •9.3. Преобразователи напряжения в ток с регулируемым коэффициентом передачи
- •9.4. Примеры расчета преобразователей напряжения в ток
- •Контрольные задания
- •Библиографический список
- •ОГЛАВЛЕНИЕ

В случае, соответствующем рис. 1.12, а, схема ведет себя как обычный инвертирующий повторитель напряжения, т.е. Uн= –Uвх. Во втором случае на неинвертирующий вход усилителя поступает
напряжение Uвх. При Ku → ∞ потенциал точки Б оказывается равным потенциалу точки А. Это значит, что оба вывода левого резистора R, подключенного к инвертирующему входу, находятся под одним и тем же потенциалом, и ток через этот резистор не течет. Следовательно, нет тока и в резисторе обратной связи. Падение напряжения на всех резисторах схемы равно нулю. ОтсюдаUн = Uвх.
|
R |
|
|
R |
R |
|
|
R |
|
|
– |
|
А – |
|
Uвх R1 |
+ |
Rн Uн |
Uвх R1 Б + |
Rн Uн |
|
а |
|
б |
|
Рис. 1.12
Таким образом, данная схема является прецизионным модулятором. На рис. 1.13 представлены графики зависимости Uн= f (Uвх) при коммутации ключа с частотой переключения f = 1/Т. В качестве ключа Кл здесь удобно использовать ключи на полевых транзисторах, поскольку они наиболее близки к механическим ключам: практически имеют бесконечное сопротивление в разомкнутом состоянии, нулевое – в замкнутом и не создают остаточных напряжений на их выходных выводах. Вместо полевых транзисторов можно применять оптоэлектронные приборы, позволяющие гальванически развязать цепь управления ключом с цепью собственно усилителя.
1.7. Конверторы сопротивлений
Конверторы сопротивлений предназначены для преобразования знаков сопротивлений. Их основу составляют операционные усилители с комбинированными обратными связями (рис. 1.14).
17

Uвх
0
t
Rкл
∞∞
0 |
0 |
0 t
Uн
T/2 T
0
t
Рис. 1.13
Как и в схеме на рис. 1.6 наличие положительной обратной связи может обусловливать неустойчивость схемы. В самом деле, если отрицательная обратная связь окажется более глубокой, по сравнению с положительной, то схема устойчива. Схема, представленная на рис. 1.14, устойчива при R1 / R2 > R3 / R4.
18

|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
U1 |
|
А |
|
|
|
|
|
|||||||
а |
|
|
|
– |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
U2 |
R3 |
|
|
|
R4 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.14
Это условие – преобладание глубины отрицательной обратной связи над глубиной положительной – всегда выполняется в двух граничных случаях:
•либо при R3 = 0, т.е. когда источник напряжения U2 с его нулевым внутренним сопротивлением подключается к зажиму В
(рис. 1.15, а);
•либо при R1 = ∞, т.е. если источник тока с его бесконечным сопротивлением подключается к зажиму А (рис. 1.15, б).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
iвх |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
К |
|
|
|
|
D |
|
iвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∆U |
|
|
|
Кu |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
∆ |
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
R4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
|
|
|
|
|
i |
н |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
+В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
Rн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rвых=∞ |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
i'с |
|
|
|
|
|
|
Uс |
|
|
iс |
|
|
Uвых=Uс(1+ R2/R1) |
|
|
|
|
|
Uн |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сравнение схем на рис. 1.6 и 1.15 показывает, что они по выходу при выполнении условия устойчивой работы относятся к группе управляемых электронных источников тока.
19
Схемы на рис. 1.15 очень интересны, если рассматривать их входные сопротивления: сопротивление на рис. 1.15, а по входу В и на рис. 1.15, б по входу А. В этом случае они проявляются как конверторы (устройства изменения знака) сопротивлений.
Анализ схем существенно упрощается, если полагать усиление операционного усилителя бесконечным Ku = ∞ и отрицательная обратная связь преобладает над положительной. Тогда UAB = ∆U = =0. Это значит, что резисторы R2 и R4 на схеме рис. 1.15, а включены параллельно и падения напряжений на них одинаковы. Схема на рис. 1.15, а представляет собой неинвертирующий усилитель, охваченный дополнительной положительной обратной связью через резистор R4. Входной сигнал Uс стремится создать на выходе напряжение UD = Uс (1+ R2 / R1). Естественно, UD > Uс при том же знаке. Поэтому источник сигнала не отдает, а поглощает ток, равный
i' |
=Uc −Uc (1+R2 /R1) |
=−U |
|
R2 |
. |
|
|
|
|||||
c |
R |
|
c R |
R |
||
|
4 |
|
1 |
4 |
|
Отсюда входное сопротивление схемы – сопротивление по входу В – оказывается равным
Rвх В = Uс / i'c = – R1 R3 /R2. |
(1.9) |
Как следует из (1.9) для внешней цепи с низкоомным выходом, подключенной к входу В, рассмотренная схема "видится" как отрицательное сопротивление. Любое из трех сопротивлений схемы можно превратить в отрицательное с соответствующим масштабным коэффициентом:
• либо, например, R1 с масштабным коэффициентом K1 =
=R4/R2, т.е. Rвх В = –K1 R1;
• либо сопротивление R4 с масштабным коэффициентом K2 = =R1 /R2, т.е. Rвх В = –K2 R4;
• либо проводимость y = 1/R2 с масштабным коэффициентом
K3= R1 R4, т.е. y = –K3 /R2.
Аналогично конвертируется знак сопротивления Rн в схеме
рис. 1.15, б. При тех же условиях Ku = ∞ и ∆U = 0 падения напряжений на резисторах R окажутся одинаковыми. Сумма падений
напряжений в контуре A – D – B – A: iвх R + iн R = 0, или iн = – iвх,
или Uн = –iвх Rн.
20

Поскольку ∆U = 0, то к зажимам источника тока приложено
напряжение – Rн Iвх.
Подключение к зажиму А источника тока или источника напряжения с высоким выходным сопротивлением приводит к тому, что схема проявляет себя как отрицательное сопротивление вели-
чиной Rн.
Конверторы сопротивлений могут быть и более сложными. На рис. 1.16 представлена схема одновременно конвертора тока и конвертора сопротивлений.
i1 |
R1 |
А |
R2 |
i2 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
i1+ i2 |
|
R |
|
|
U2 |
|
R |
|
iн |
|
|
– |
– |
|
|
|
||
U1 |
+ 1 |
|
R |
|
Uн |
|
|
|
н |
||||
Uс |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
Рис. 1.16
При большом усилении усилителя 1 по напряжению U1 = U2 и напряжение сигнала Uс = Uн. Напряжение в точке А схемы UА =
= Uн – i2 R2 = Uс – i1 R1. Отсюда i2 R2 = i1 R1, или i2 = + i1 R1/R2 =
=–Uн/Rн = –Uс /Rн или (Uс /Rн) R2 = – i1 R1.
Следовательно, ток нагрузки
iн = –i2 = – i1 R1/R2; |
(1.10) |
входное сопротивление
Rвх = Uс /i1 = – (R1/R2) Rн. |
(1.11) |
При условии R1 = R2 схема превращается в инвертор тока с коэффициентом передачи по току K'i = – 1.
21

По входу данная схема является конвертором сопротивления, равно как и схема на рис. 1.15. В обеих схемах входное сопротивление определяется одинаковыми (1.9) и (1.11) соотношениями.
Конверторы сопротивлений изменяют знак не только резистивных сопротивлений, но и реактивных, и полных. Это свойство конверторов используется в схемотехнике для создания эквивалентных индуктивностей на базе конденсаторов. При этом громоздкая катушка индуктивности может быть заменена малогабаритным конденсатором. Так, например, если вместо резистора R2 в схему на рис. 1.15 или 1.16 включить конденсатор, то входное сопротивление этих схем
Zвх = −−R11/RωнC = jR1 R3ωC = jKωC
либо Zвх = jR1RнωC.
С увеличением частоты входное сопротивление той и другой схем линейно увеличивается, ток по фазе отстает от напряжения, как и в обычной индуктивности.
Инвертирование знаков сопротивлений служит в схемотехнике для компенсирования паразитных емкостей и сопротивлений. На рис. 1.17, а представлена схема интегратора напряжений, обеспечивающая заряд конденсатора постоянным током.
|
R |
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
|
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
+ |
|
+ |
|
|
|
|
|
|
||
R |
|
А |
|
|
|
А |
|
|
|
||
|
|
|
Ск |
|
|
С |
Uвых |
Uвх |
Сп |
Uвых |
|
|
|
|
|||
Uвх |
|
|
Б |
|
|
Б |
|
|
|
|
|
а |
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.17
22

Схема, обозначенная пунктиром, представляет собой по входу отрицательное сопротивление величиной –R. Это значит, что к о- нечное значение сопротивления интегрирующего резистора +R в схеме-интеграторе компенсируется отрицательным сопротивлением –R. Эквивалентное внутреннее сопротивление цепи заряда
конденсатора оказывается равным Rэкв = R (–R) / (R– R) = ∞. Это идеальный источник тока. В идеальном случае при Uc(0)=0
Uвых = R2С ∫t Uвхdt .
0
Двойка в числителе обусловлена тем, что коэффициент усиления этого неинвертирующего усилителя Ku = (1+R/R) = 2.
В схеме нейтрализации паразитной емкости (рис. 1.17, б) емкость участка правее АБ равна САБ = – СкR/R = –Ск. Поскольку по отношению к участку АБ паразитная емкость Сп включена параллельно, то суммарная емкость участка АБ
САБ ∑ = Сп – САБ = Сп – СкR/R.
Регулировкой Ск можно нейтрализовать паразитную емкость. На рис. 1.18, а приведена схема компенсации потерь в колебательном контуре, привносимых его нагрузочным сопротив-
лением Rн.
|
|
|
|
|
Rос |
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
R |
– |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
С |
Rн |
Конвертор |
|
|
|
|
|
|
R= Rн |
|
Конвертор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
а |
|
|
б |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.18 |
|
|
|
Поскольку входное сопротивление конвертора равно –R и оно включено параллельно сопротивлению нагрузки, то суммарное
23