Лекции

162 Устройства непрерывного действия на операционных усилителях

ветствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного (Uвых=Кu(Uвх)). Угол наклона этого участка определяется коэффициентом усиления Kuoу Uвых Uвх операционного

усилителя. Чем больше Кu в общем случае, тем лучше.

Если Uвых=0 при Uвх=0, т.е. кривые передаточных характеристик проходят через нуль (см. рис. 3.3), то такое состояние называется «балансом» ОУ. Однако в реальных ОУ режиму Uвых=0 соответствует ненулевое напряжение (Uвх Uвх1 Uвх2 Uсмо 0), называемое «входным напряжением смещения нуля». На рисунке 3.4 показан вид передаточных характеристик реальных ОУ.

Uвых, В

–Uсмо

+ Uвых.

Uвх, мВ

– Uвых.

+Uсмо

Рис. 3.4

Напряжения Uсмо и Uвых связаны соотношением Uсмо UвыхKиоу , т.е. чем больше Кuоу, тем сильнее сказывается состояние разбаланса. Основной причиной разбаланса является разброс параметров ДУ и их температурная зависимость. Естественно, что наличие входного напряжения смещения приводит к появлению «входных токов смещения», т.к. значение входного сопротивления ДК конечно. Входные токи электродов различны в общем случае, что заставляет говорить о разности и дрейфе входных токов смещения. Между входами ОУ можно подавать лишь ограниченное напряжение с целью предотвращения повреждения транзисторов ДК, которое называется «максимальным дифференциальным входным напряжением».

164 Устройства непрерывного действия на операционных усилителях

области высоких частот, начиная с некоторой «частоты среза» fср, (рис. 3.5).

K0

0 f

fcp

Рис. 3.5

Спад АЧХ обусловлен наличием реактивных элементов и частотной зависимостью параметров транзисторов. На уровне 0,707 от Ku mах определяют полосу пропускания ОУ, этому уровню соответ-

временных ОУ fвп обычно составляет десятки мегагерц. Скоростными или динамическими параметрами ОУ оценива-

ется его способность усиливать импульсные сигналы (или скачкообразные изменения по переходной функции). Эти параметры оцениваются по реакции ОУ на воздействие вида скачка (рис. 3.6).

Uвых

Uвых.уст

0,9Uвых.у

Uвх=f(t)

0 tуст

Рис. 3.6

Принятыми динамическими параметрами для ОУ являются: скорость нарастания выходного напряжения, или скорость отклика

166 Устройства непрерывного действия на операционных усилителях

На вход ОУ с учетом ООС подается напряжение Uo=(Uвх –

Uос); при условии, что Rн>>Rвых, Rвх>>R1, Rос>>Rвых можно записать: Uос=UвыхR1/(R1+Rос)=Uвыхχ, где χ=R1/(R1+Rос); выходное напряжение ОУ с ООС получим из формулы

Uвых=Кuоу(Uвх– Uос)=Кuоу(Uвх – χUвых).

Из последнего выражения получаем коэффициент усиления

усилителя, охваченного ООС: Кuос=Uвых/Uвх = Кuоу/(1+Kuоуχ)<Kuоу, т.е. коэффициент усиления уменьшился, как и следовало ожидать,

с введением ООС. А так как Kuoy , то

Кuос=1/χ=(R1+Rос)/R1. (3.1)

То есть Кuос определяется лишь значениями сопротивлений R1 и Rос и не зависит от Кuоу, т.к. ООС стабилизирует коэффициент усиления усилителя на ОУ. Действительно, если Кuоу уменьшится,

то уменьшится Uвых и Uос, возрастет разность (Uвх – Uос), что приведет к возрастанию Uвых, компенсирующему первоначальное его

уменьшение. Выражение для Кuос может быть получено и несколько иначе. Действительно, с учетом того, что Kuoy ,имеем: Uо =

= Uвх – Uос = Uвых/Кuоу = 0, т.е. Uвх = Uос. Но нам известно, что Uос = =Uвых·R1/(R1+Rос)=Uвых·χ. Подставляя вместо Uос в последнее выражение Uвх, получим: Uвх = Uвых χ; Кuос = Uвых/Uвх = 1/χ = =(R1+Rос)/R1, т.е. аналогично (3.1)

Кuос=1/χ=1+Rос/R1. (3.2)

Минимальные значения R1 и Rос ограничиваются нагрузочной способностью ОУ, а максимальное их значение ограничено из-за того, что малые токи через R1 и Rос будут соизмеримы со входными токами ОУ, что усилит воздействие неидеальности ОУ на работу схемы. Практически R1 и Rос лежат в пределах (103 106) Ом.

Введение ООС по напряжению приближает свойства усилителя к источнику ЭДС. А именно: выходное сопротивление усили-

теля (см. рис. 3.7) меньше, чем Rвых самого ОУ; Rвых ос<<Rвых. Входное же сопротивление Rвх ос= Uо/Iвх, где Iвх – ток между входами

ОУ; Iвх=(Uвх – Uос)/Rвх 0/Rвх = 0; тогда Rвх ос растет и становится больше, чем Rвх.

Коэффициент усиления усилителя с ООС меньше, чем у ОУ (Кuос<<Kuоу), что расширяет линейный участок передаточной характеристики и уменьшает нелинейные искажения. Если сделать Rос = 0 и R1= , то получим схему повторителя с Кuос = 1.

168 Устройства непрерывного действия на операционных усилителях

чает, что полярности входного и выходного напряжений противоположны. Коэффициент усиления |Kuос|<<Kuоу и обладает очень высокой стабильностью, т.к. зависит только от соотношения Rос и R1. Входные и выходные сопротивления определяются как Rвх ос= =Uвх/Iвх=R1<<Rвх, т.е. значение входного сопротивления становится конечным. Выходное сопротивление, как и в предыдущем случае, уменьшается: Rвых ос=Rвых/(1+Ku·χ), где χ=R1/(R1+Rос). При

Kuoy , Rвых 0.

Итак, как для инвертирующего, так и для неинвертирующего ОУ с ООС по напряжению имеет место снижение значения и повышение стабильности коэффициента усиления, уменьшается выходное сопротивление, расширяется линейная часть передаточной характеристики усилителя, снижаются нелинейные искажения.

Если необходимо увеличить коэффициент усиления по напряжению, применяют многокаскадные схемы, в которых каждый каскад на ОУ охвачен ООС.

3.4.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА В НАПРЯЖЕНИЕ

Если в схеме инвертирующего усилителя положить R1=0, то

Iвх = Iос= –Uвых/Rос, или, иначе,

Схема преобразователя показана на рисунке 3.9.

Iоc Rос

Uвх I

Iвх Uо

Uвых

Рис. 3.9

Очевидно, что пояснение принципа действия в данном случае не требуется.

3.5.ИНВЕРТИРУЮЩИЙ СУММАТОР

Инвертирующий сумматор предназначен для сложения сигналов с одновременным изменением их полярности на противоположную. Выполняется он по схеме инвертирующего усилителя с числом параллельных ветвей на входе, равным числу сигналов, предназначенных для сложения (рис. 3.10).

Рис. 3.10

Очевидно, при Râõ имеем Iо=Iвх1+Iвх2+Iвх3+Iос=0 или

Iвх1+Iвх2+Iвх3= –Iос, а Iос=Uвых/Rос (т.к. Uо=0 при Ku ). Отсюда

I1=Uвх1/R1; I2=Uвх2/R2; I3=Uвх3/R3.

Тогда Uвых= –[(Rос/R1)Uвх1+(Rос/R2)Uвх2+(Rос/R3)Uвх3].

При условии, что R1=R2=R3=R, получим Uвых= –Rос/R(Uвх1 +

+Uвх2+Uвх3), или

i 1

n

Если Rос=R, то Uвых Uвх i .

i 1

3.6.НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ СУММАТОР

Наиболее просто неинвертирующий сумматор строится на основе неинвертирующего усилителя с использованием ряда параллельных ветвей на входе (рис. 3.11).

170 Устройства непрерывного действия на операционных усилителях

Рис. 3.11

Так как известно, что Rвх , то и сумма токов во входных цепях будет равна нулю: Iвх1+Iвх2+Iвх3=0, или несколько подробнее:

(Uвх1 U ) (Uвх2 U ) (Uвх3 U ) 0, откуда получаем

R R R

(Uвх1 Uвх2 Uвх3) U .

3

Естественно, что при ином числе входов вместо 3 надо будет поставить соответствующее число n. На выходе сумматора получим напряжение

Следует обратить внимание на зависимость коэффициента передачи этого сумматора от числа входов n.