6. Усилители на основе оу

Усилители на основе ОУ характеризуются широким диапазоном рабочих частот, высокой стабильностью и надёжностью, малыми габаритными размерами и массой. Типовые схемы таких усилителей на ИМС типа К140УД1А приведены на рис.7. Если напряжение сигнала подаётся на инвертирующий вход ОУ (рис.7а, вывод 9), то фаза выходного сигнала сдвигается относительно входного на 180, т.е. усилитель инвертирует сигнал. Такой усилитель называетсяинвертирующим. При подаче сигнала на неинвертирующий вход (рис.7б) выходной сигнал совпадает по фазе со входным. Такой усилитель называетсянеинвертирующим. Высокая стабильность параметров достигается введением глубокой ООС по постоянному и переменному токам (через резисторR₃, включённый между выходом ОУ и инвертирующим входом).RC-цепь, включённая между выводами1и12, служит для устранения самовозбуждения усилителя и может быть использована для коррекции АЧХ. Сопротивления резисторов, включённых между каждым из входов и общим проводом (корпусом) – выводом4, должны быть равны. [8]

Коэффициент передачи инвертирующего усилителя с ООС равен отношению сопротивлений резисторов R₃иR₁и не зависит от параметров ОУ. РезисторR₁может отсутствовать. Тогда сопротивление резистораR₂должно быть равно выходному сопротивлению источника сигнала. При этом коэффициент передачи усилителя равен соотношению сопротивлений резистораR₃и источника сигнала. [8]

Рис.7. Типовые схемы усилителей на основе ОУ:

а – инвертирующего; б – неинвертирующего.

Для инвертирующего усилителя на ИМС типа К140УД1А рекомендуется использовать резисторы R₁, R₂с сопротивлением 150 кОм,R₃с сопротивлением 5200 кОм (R₃R₁). Коэффициент передачи усилителя, собранного по схеме, приведённой на рис.7а, равен 51 в диапазоне частот до 2 МГц при напряжении выходного сигнала не более 100 мВ. При большем напряжении сигнала диапазон рабочих частот уменьшается. Так, при выходном напряжении 1 В максимальная рабочая частота около 500 кГц. [8]

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению резистора R₁. Выходное сопротивление определяется по формуле, гдеR_выхОУ– выходное сопротивление ОУ без ООС;- коэффициент передачи обратной связи;К_{U ОУ}– коэффициент усиления напряжения ОУ без ООС. Коэффициент передачи неинвертирующего усилителя (см. рис.7б) определяется по формуле. [8]

Отличительным свойством неинвертирующего усилителя является его высокое входное сопротивление, которое можно определить по формуле ,

где R_{вх ОУ} – входное сопротивление ОУ. Выходное сопротивление определяется так же, как и сопротивление инвертирующего усилителя (см. выше). [8]

Для неинвертирующего усилителя на ИМС типа К140УД1А рекомендуются сопротивления резистора R₁в пределах 150 кОм, резистораR₃- 5200 кОм,R₄- 150 кОм. [8]

Если в усилителе, собранном по схеме, приведённой на рис.6б, соединить выводы 5 и 9 ОУ, получится повторитель с очень большим входным сопротивлением (несколько мегаом) и коэффициентом передачи, близким к единице. Такой повторитель может передавать напряжение постоянной тока, не внося при этом дополнительного сдвига уровня напряжения. В этом случае конденсатор С₁необходимо исключить.

Инвертирующий усилитель может выполнять функцию инвертирующего сумматора, если подать на его инвертирующий вход через резисторы напряжения сигналов от нескольких источников. Напряжения сигналов можно сложить с разными масштабными коэффициентами. Для этого необходимо соответствующим образом выбрать сопротивления резисторов. Если на инвертирующий вход ОУ подать сигнал от одного источника, а на неинвертирующий – сигнал от другого источника, то на выходе усилителя получим усиленную разность обоих сигналов. [8]

В ОУ с внешней ООС на низких частотах при определённых условиях может возникнуть ПОС на высоких частотах. Поэтому для устойчивой работы с обратной связью необходимо корректировать АЧХ и ФЧХ ОУ. Для этого используют различные корректирующие цепи, которые не связаны с цепью внешней обратной связи, но создают местные обратные связи в самом ОУ. Действие корректирующих цепей часто сводится к ограничению диапазона рабочих частот сверху. При этом ФЧХ ОУ имеет запас по фазе на высших частотах, т.е. сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями значительно меньше 180. [8]

Устойчивая работа ОУ серии К140 обычно достигается включением корректирующей цепи между выводами 1и12(см. рис.7). В некоторых случаях самовозбуждение этих ОУ удаётся устранить включением конденсатора ёмкостью 6120 пФ между выводами5и9илиRC-цепи между выводами9и10. [8]

Схемы коррекции ОУ типа К153УД2 приведены на рис.8а,7в. Ёмкость конденсатора С₁в схемах, приведённых на рис.8а,б, определяется по формуле, гдеС₁– ёмкость, пФ;R₁иR₂– сопротивления резисторов, МОм. В схеме, приведённой на рис.8б,С₂= 10С₁, на рис.8в –С₂0,5R₂, гдеС₂– ёмкость, пФ;R₂– сопротивление, МОм. [8]

Рис.8. Схемы коррекции ОУ типов К153Д2 (а – в), К153УТ1А, К153УТ1Б (г).

Для коррекции ОУ типов К153УД1А и К153УД1Б включают RC-цепи между выводами 1и8и конденсатор между выводами5и6(рис.8г). Рекомендуемые параметры корректирующих элементов в зависимости от требуемого коэффициента усиления приведены в таблице 1.

Табл. 1.

Коэффициент усиления, дБ	Сопротивление резистора, кОм		Емкость конденсатора, пФ
	R3	R1	C2	C1
60	0	0,1	10	310
40	1,5	1	100	310
20	1,5	11	510	20
6	1,5	100	5100	200

Если ОУ используется как УПТ, необходимо, чтобы он был сбалансирован, т.е. чтобы напряжение постоянного тока на выходе было равно нулю при одинаковых напряжениях на обоих входах. Схемы балансировки ОУ типа К153УД2 приведены на рис.9. При балансировке по схеме, показанной на рис.9а, изменяются потенциалы на выводах 5и8, по схеме на рис.9б – только на выводе5. [8]

Рис.9. Схемы балансировки ОУ типа К153УД2 изменением потенциала:

а – на двух выводах; б – на одном выводе.