Лекции

3.7.ВЫЧИТАТЕЛЬ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ

Схема вычитателя приведена на рисунке 3.12.

Рис. 3.12

Используем при анализе принцип суперпозиции, а именно

Uвых=Uвых1+Uвых2, где Uвых1 и Uвых2 – составляющие выходного напряжения при действии на входе соответственно либо Uвх1, либо Uвх2.

Рассмотрим для начала действие только Uвх1 при условии, что Uвх2=0. На вход ОУ будет поступать часть напряжения Uвх1 R3/(R2+R3). С учетом выражения для Кuос неинвертирующего усилителя, а именно, что Кuос=(R1+Rос)/R1, получаем

Вторую составляющую выходного напряжения получим исходя из условия, что Uвх1=0, а действует лишь Uвх2 0, т.е. используется инвертирующий вход ОУ. Используя то, что для инверти-

Результирующее выходное напряжение

Рис. 3.14

При =RC=1c идет интегрирование в реальном масштабе времени. При =0,1с идет ускоренное интегрирование, а при =10 с – замедленное. На основе интегратора выполняют и генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

3.9.ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Схема дифференцирующего устройства показана на рисун-

ке 3.15.

Рис. 3.15

По аналогии с предыдущим получаем Iо=Iвх+ Iос=0, т.е. Iос= –Iвх.

3.10.КОМПЕНСАЦИЯ ВХОДНЫХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЯ

СМЕЩЕНИЯ НУЛЯ

Как отмечалось ранее, за счет существующей несимметрии схемы и разброса параметров в ОУ имеет место явление разбаланса, когда значению Uвых=0 соответствует Uвх 0. С другой стороны, даже при полной симметрии при Uвх=0 во входных цепях протекают базовые токи транзисторов (в случае использования биполярных транзисторов) Iвх. При этом Iвх создает падение напряжения:

Рис. 3.16

Даже небольшое Uy на входе благодаря Kuоу создает существенное значение Uвых = Kuоу·Uy, т.е. при Uвх = 0 получим Uвых ≠ 0. Чтобы исключить подобное явление, к прямому входу ОУ подклю-

При этом ток прямого входа создает на нем падение напряжения Uу. Результирующий входной сигнал Uо определяется разностью напряжений на прямом и инверсном входах, и при равенстве входных токов получаем Uвых = 0.

Схема, изображенная на рис. 3.16, является практической схемой инвертирующего усилителя на ОУ. Аналогично поступают в схемах инвертирующего сумматора и интегратора. В схеме неинвертирующего усилителя тоже стремятся выбрать резисторы в цепи ОС так, чтобы сопротивления для входных токов прямого и инверсного

входов были бы одинаковы. При этом считается, что ток прямого входа протекает через внутреннее сопротивление источника Uвх (см.

рис. 3.7).

Ранее при рассмотрении передаточной характеристики ОУ (см. рис. 3.4) отмечалось наличие в общем случае напряжения смещения нуля Uсм0, которое различно для различных экземпляров одних и тех же ИМС. Наличие Uсм0 приводит к тому, что при Uвх = 0 имеем Uвых 0. Для компенсации действия Uсм0 в многие схемы на ОУ вводят специальные цепи, позволяющие путем регулирования устранить его действие. На рисунке 3.17 приведены примеры инвертирующего (а) и неинвертирующего (б) усилителей с ОС, дополненные цепями для компенсации Uсм0.

Рис. 3.17

Следует отметить, что введение корректирующих цепей не изменяет принципов функционирования этих устройств.

3.11.ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА И САМОВОЗБУЖДЕНИЕ

УСИЛИТЕЛЕЙ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ

В реальных операционных усилителях (ОУ) способность усиливать высокочастотные сигналы ограничивается инерционностью прежде всего тех транзисторов, на которых они построены. У тран-

зисторов же (биполярных) с ростом частоты уменьшается и по-

является запаздывание по фазе. В связи с этим и Кuоу с ростом час-

ООС превратилась в ПОС, увеличивающую Кu ос. При К* χ=1 получаем Кu ос . А это означает, что при Uвх=0 на выходе получим ненулевое напряжение. Указанное явление называется самовозбуждением усилителя.

Условия самовозбуждения:

1. оу+ ос=2 , где оу+ ос – суммарный фазовый сдвиг, вносимый при передаче сигнала ОУ и ОС, что приводит к вырожде-

нию ООС в ПОС.

2. К* χ 1. Чтобы избежать указанного явления, ограничивают число каскадов, применяют корректирующие RС-цепочки, которые на частоте f* снижают Кu до минимума, при котором самовозбуждение не наступает (К* χ < 1 при оу= – показано пунктиром на рис. 3.18, а). Часто эти корректирующие цепочки входят прямо в состав ИМС.

Применение корректирующих цепей обычно сужает полосу пропускания (хотя сами ООС полосу расширяют). Возможно возбуждение и за счет паразитных реактивных элементов, о чем говорилось ранее.

3.12.ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Избирательными называют усилители, предназначенные для усиления сигналов в узкой полосе частот. На некоторой частоте fо (резонансная частота) в таких усилителях имеет место максимум коэффициента усиления (передачи). Полоса пропускания АЧХ, как

это принято, определяется на уровне KU max , за ее пределами ко-

2

эффициент усиления резко уменьшается. Отношение боковых час-

f

тот для таких усилителей составляет B 1,001 1,1. f

H

Полоса пропускания определяется, как показано на рисунке

3.19, т.е. 2 f = fв – fн.

Селективность или избирательность по частоте оценивается с

помощью добротности Q fo , величина которой составляет де- 2 f

сятки и сотни.

часть выходного сигнала гасится на С' последовательного звена (C'R'), а высокочастотная часть сигнала закорачивается через С" параллельного звена (С"R") на землю. Поэтому сам мост имеет наибольший коэффициент передачи на некоторой частоте f0, причем фазовый сдвиг на этой частоте равен нулю. При С'=С"=С, R'=R"=R частота f0 находится по выражению

а коэффициент передачи моста χм = 1/3.

При частотах, отличных от f0, коэффициент передачи моста Вина мал, мал сигнал на прямом входе ОУ, т.е. Uпос 0; в этом случае вся система идентична инвертирующему усилителю, для которого, как известно, коэффициент усиления К' = –Rос/R1. На частоте f0 коэффициент передачи моста Вина максимален, и через него на прямой вход ОУ подается сигнал ПОС, который резко увеличивает коэффициент усиления всей схемы до Км. Частотные характеристики моста Вина и всего усилителя приведены на рисунке 3.21, а и б соответственно.

χm

χ

Рис. 3.21

Причем, чем больше К'= –Rос/R1, тем уже полоса пропускания, выше отношение Км/К'. Однако при значении Rос/R1 = 2 выполняется условие самовозбуждения и коэффициент Км . Действительно, для сигнала по неинвертирующему входу коэффициент усиления усилителя с ОСС, как известно, будет равен