Экзамен микроэлектроника / Лекции / xx1. типовые схемы включения ОУ

Типовые схемы включения ОУ

Большой коэффициент усиления и наличие инвертирующего и неинвертирующего входов позволяют использовать ОУ в самых разнообразных схемотехнических задачах. Эффективность их решения достигается введением отрицательной обратной связи по выходному параметру в усилителях напряжения и тока, и положительной в генераторах.

Инвертирующее включение ОУ: масштабирующий усилитель

Инвертирующее включение ОУ основано на свойствах параллельной обратной связи по напряжению. В этом случае коэффициент передачи рассчитывается по формуле:

Или для резистивных элементов:

При условии коэффициент передачи схемы не зависит от собственного коэффициента усиления ОУ, а определяется соотношением:

;

Входное сопротивление для инвертирующего включения:

Инвертирующее включение ОУ: суммирующий усилитель

Операция суммирования является весьма распространенной в аналоговой схемотехнике и для её реализации используется схема сумматора на ОУ.

Поскольку сопротивление, пересчитываемое на инвертирующий вход ОУ очень мало, то взаимное влияние источников входных сигналов практически отсутствует и потребляемые от них токи равны соответственно:

Суммарный ток от источников входных сигналов замыкается через сопротивление

Точность выполнения различных операций с помощью ОУ зависит как от точности элементов в обвязке, так и от внутренних параметров ОУ (входные токи, смещение нуля и пр.).

Резистор подключенный к неинвертирующему входу позволяет уменьшить влияние водных токов на качество работы схемы.

Инвертирующее включение ОУ: интегрирующий усилитель

Обратимся к схеме инвертирующего включения ОУ, где роль сопротивления Z₂ играет параллельное включение .

Тогда комплексный коэффициент передачи схемы будет равен:

При выполнении неравенства выражение упрощается и становится равным:

;

Резистор R₂ здесь необходим для снижения влияния входных токов и смещения нулевого уровня, из-за которых в начальный момент времени на выходе может установиться максимальное положительное или отрицательное значение напряжения.

Неинвертирующее включение ОУ

Схема представляет собой классический пример последовательной отрицательной обратной связи по напряжению.

В роли четырехполюсника обратной связи резистивный делитель , коэффициент передачи звена обратной связи . Коэффициент усилителя с ПООС по напряжению:

, которое, при выполнении условия упрощается и сводится к виду: ;

Если или то схема превращается в повторитель на ОУ.

Дифференциальное включение ОУ

Схема дифференцирующего усилителя показана на рисунке.

При дифференцирующем включении входные сигналы подаются на оба входа ОУ.

Рассматривая выходное напряжение как результат воздействия независимых сигналов получим:

Или

Примем соотношение:

Тогда формула для выходного напряжения упрощается и приобретает более показательный вид:

Таким образом, можно сделать вывод о том, что дифференцирующий усилитель усиливает разность входных сигналов.

Следует обратить внимание на то, что в этой схеме входы усилителя оказываются под воздействием синфазного сигнала, что необходимо учитывать как с точки зрения его допустимой величины, так и с точки зрения дополнительной погрешности на выходе схемы.

Компараторы.

Компаратором называются устройства, предназначенные для сравнения двух или сигналов. Схема простейшего компаратора представляет собой ОУ без ОС, см рис.

Поскольку коэффициент усиления разомкнутого ОУ очень велик, то даже небольшая разница напряжений U₁ и U₂ приведет к тому, что выходное напряжение U_a установится в максимальное или минимальное значение. Это делает компаратор очень точным (прецизионным) устройством сравнения сигналов. Передаточная характеристика простейшего компаратора изображена ниже:

При этом при смене знака разности напряжений напряжение на выходе ОУ не может перейти из одного состояния в другое мгновенно. Для стандартных ОУ скорость изменения выходного напряжения составляет около 1В/мкс. Тогда при максимальных выходных напряжениях ±15В время перехода из одного состояние в другое составит 30мкс. Добавим сюда время восстановления при выходе ОУ из состояния насыщения и, задержка ещё увеличится. Поэтому, как правило, в таких случаях используют специализированные компараторы, которые предназначены для работы без ОС и имеют очень малые значения времени восстановления. На выходе таких ОУ имеется встроенный преобразователь уровня сигнала, который позволяет подключать его непосредственно к цифровым устройствам.

Двухпороговый компаратор.

Фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными порогами.

Т.е. при выполнении условия на выходе обоих ОУ будут логические единицы и на выходе схемы «И» также будет единица.

Триггер Шмидта.

Триггер Шмидта – это компаратор, у которого уровни включения и выключения не совпадают, т.е. компаратор устанавливается в единицу, когда достигается один порог, а сбрасывается в ноль, когда достигается другой порог.

Рассмотрим инвертирующий ТШ.

Верхний порог срабатывания:

Нижний порог срабатывания:

Разница между порогами срабатывания называется гистерезисом переключения:

Для того чтобы схема имела два устойчивых состояния, т.е. была бистабильной необходимо, чтобы коэффициент петлевого усиления был больше единицы:

, где К – коэффициент усиления ОУ, а – коэффициент передачи контура ПОС.

Генератор синусоидальных колебаний на ОУ с колебательным контуром LC.

ОУ, включенный по неинвертитрующей схеме, усиливает напряжение U₁ в К раз: . В схеме используется резонансный контур LC, сопротивление которого на резонансной частоте обращается в бесконечность, и тогда напряжение U₂ практически становится равным напряжению U₁. ОУ в данном случае компенсирует потери в колебательном конутре. Из первого закона Кирхгофа для указанного узла запишем дифференциальное уравнение затухающих колебаний:

Введем ообзначения: и перепишем уравнение в виде:

Это уравнение имеет следующее решение:

. Возможны три случая поведения схемы, в зависимости от параметра :

1. , т.е. K<1 – затухающие колебания – амплитуда уменьшается по экспоненте.

2. , т.е. K=1 – незатухающие синусоидальные колебания с постоянной амплитудой;

3. , т.е. K>1 – амплитуда колебаний растет по экспоненциальному закону

Для самовозбуждения генератора необходимо выполнение условия K>1. При этом амплитуда выходного сигнала будет нарастатьт, пока ОУ не перейдет в насыщение. В этом случае колебания уже будут несинусоидальными.

Генератор прямоугольных сигналов на ОУ

Схема представляет собой инвертирующий триггер Шмидта, охваченный отрицательной обратной связью. Пороги срабатывания (переключения) схемы определяются резисторами и :

Диаграмма работы схемы:

Работу схемы можно описать дифференциальным уравнением первого порядка:

При нулевых начальных условиях решение этого уравнения можно записать в виде:

Значение напряжения на емкости, равное порогу срабатывания будет достигнуто через время:

Период колебаний будет равен . При ; .

9