4.2.3.2 Инвертирующий усилитель

Пусть элементами и в цепи обратной связи схемы рис.4 являются резисторы с сопротивлениями и соответственно.

Так как в этом случае , то из (5) – (7) следует

(8)

Соотношение (8) является передаточной характеристикой рассматриваемой схемы, из которой видно, что схема выполняет операцию умножения сигнала на число . Если , то происходит усиление сигнала и коэффициент усиления определяется только отношением сопротивлений резисторов цепи обратной связи. Знак «минус» в (8) означает изменение полярности выходного сигнала по отношению к входному. Отсюда название схемы – инвертирующий усилитель.

Резисторный вариант цепи отрицательной обратной связи позволяет понять характер этой связи и посчитать напряжение обратной связи. В этом случае напряжение, выделяемое на сопротивлении , равно . Напряжение на входе ОУ из (2) равно . Из этих двух соотношений следует, что является частью выходного сигнала, возвращающегося на вход усилителя, то есть это напряжение обратной связи . Так как сигнал приходит на инвертирующий вход, знак противоположен знаку , поэтому вычитается из , уменьшая напряжение на входе ОУ.

Таким образом, обратная связь отрицательная и приводит к уменьшению коэффициента усиления схемы на ОУ по сравнению с .

4.2.3.3 Суммирующий усилитель

Суммирующий усилитель (сумматор) – частный случай инвертирующего усилителя, когда на его вход одновременно подаются несколько сигналов (рис.5).

uвых u3 u2 u1 u0 R0 R1 R2 R 3 Rос i0 i1 i2 i3

Рис. 5. Схема сумматора на ОУ.

Каждый вход сумматора соединен с инвертирующим входом ОУ через соответствующий резистор . Инвертирующий вход (точка А) является суммирующим узлом, поскольку в нем складываются все входные токи и ток цепи обратной связи. Как и в инвертирующем усилителе, напряжение на входе ОУ близко к нулю, поэтому токи каждого источника сигнала независимы друг от друга и равны , а ток в общем проводе (ток через резистор ) равен их сумме: .

Тогда из (6) получается передаточная характеристика схемы

(9)

Схема осуществляет операцию сложения сигналов, причем каждый из них умножается еще на свой весовой (нормирующий) коэффициент, равный – .

4.2.3.4 Цифроаналоговый преобразователь (цап)

(ЦАП) – устройство, осуществляющее преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Схема простейшего ЦАП показана на рис.6 и является частным случаем суммирующего усилителя, рассмотренного в предыдущем разделе.

В общем случае -разрядного ЦАП на его вход поступает двоичный n-разрядный цифровой сигнал. Этот сигнал управляет электронными ключами, посредством которых к общей точке схемы А подключаются или не подключаются цепей тока. В схеме электронные ключи показаны в виде механических ключей. Величина тока в каждой цепи равна , где (0,1,.., n–1) – номер цепи, а – величина источника постоянного эталонного напряжения, соответствующая логической единице того цифрового сигнала, который поступает на вход ОУ.

Rn-1 R0 Uвых R1 Rос Uэт b1 b0 bn-1 Входной цифровой сигнал

Рис.6. Схема цифро-аналогового преобразователя

Так как двоичный n-разрядный цифровой сигнал представляет собой набор из величин постоянного напряжения двух уровней – высокого (логическая единица) и низкого (логический нуль), то он может быть описан -разрядным двоичным числом . Поэтому в ЦАП преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится по известному правилу перевода двоичного числа в десятичное:

(10)

Здесь – цифра в разряде числа с номером , которая может принимать значения ноль или единицу

Например, перевод числа 1101₂ в десятичную систему, в соответствии с (10), будет выглядеть так:

.

Согласно (9) и (10) напряжение на выходе ЦАП будет равно

,

(10а)

где переменные описывают состояние ключей: замкнут ( =1), разомкнут ( =0). Очевидно, нормирующие резисторы должны иметь величины , чтобы коэффициенты в сумме (10а) были равны , где номер разряда двоичного числа.

Погрешность преобразования ЦАП, как любого сумматора, определяется главным образом неточностью величин сопротивлений весовых резисторов и их зависимостью от температуры. Поэтому для снижения погрешности в схемах ЦАП используются эталонные резисторы с одинаковым температурным коэффициентом сопротивления.