3.4 Основні підсилювальні схеми з використанням оп

Підсилювач — це схема, що сприймає сигнал на вході, і видає на вихлоді посилену копію цього сигналу. В наведених вище схемах є одна загальна властивість: резистор зворотного зв'язку підключений між контактами виходу і входу (-). Схема такого типу називається схемою з від'ємним зворотним зв'язком (ВЗЗ).

Від'ємний зворотний зв'язок дає багато переваг, всі вони полягають в тому, що характеристики схеми не залежать від коефіцієнта підсилення без зворотного зв'язку К. Включаючи у схему резистор зворотного зв'язку, ми формуємо петлю з виходу на інверсний вхід, В результаті схема володіє коефіцієнтом підсилення зі зворотним зв'язком Кзз, що мало залежить від К.

Для одержання найкращих результатів варто використовувати резистори з допуском у 1%; при цьому Кзз буде відомий з точністю близько 1%. Варто помітити, що зовнішні резистори не змінюють коефіцієнт підсилення без зворотного зв'язку К. Однак, у різних екземплярів операційних підсилювачів К мають різні величини. Включення резистора зворотного зв'язку дозволяє нам не враховувати ці зміни К, принаймні доти, поки значення К достатньо велике. Продемонструємо, що в інвертуючому підсилювачі Кзз однозначно визначається відношенням опорів двох резисторів.

Інвертуючий підсилювач

На рис. 3.7 показано схему на ОП, що одержала найбільш широке застосування. Це підсилювач, у якого коефіцієнт підсилення зі зворотним зв'язком задається резисторами Rзз і R_вх. Він здатний підсилювати сигнали як змінного, так і постійного струму. Щоб зрозуміти, як працює схема, приймемо два спрощуючих припущення [11].

1. Напруга Ед між входами (+) і (-) дорівнює, нулю.

2. Вхідний струм дуже малий і ним нехтуємо.

Подача на інверсний вхід додатної напруги

На рис. 3.7 до інверсного входу ОП через вхідний резистор R_bx прикладена додатна напруга Евх. Від'ємний зворотний зв'язок утворюється резистором зворотного зв'язку Rзз. Напруга між входами (+) і (-) ОП практично дорівнює 0 В. Тому неінвертуючий вхідний контакт також має нульовий потенціал, тобто потенціал землі.

Рисунок 3.7- Інвертуючий підсилювач при додатній напрузі на вході (-)

Оскільки на одному з контактів резистора R_bx є потенціал Евх, а на іншому 0 В, то спад напруги на R_bx дорівнює Евх. Струм I через резистор R_bx знаходиться за законом Ома з виразу:

(3.4)

У величину R_bx входить і опір генератора сигналів.

Весь вхідний струм I протікає по Rзз, оскільки вхід (-) ОП споживає дуже малий струм. Струм у Rзз визначається R_bx і Евх, а не значеннями Rзз, Uвux чи параметрами операційного підсилювача.

Спад напруги на Rзз дорівнює просто I·R₃₃ чи:

(3.5)

Але з рис. 3.7 видно, що один контакт Rзз з'єднаний з навантаженням Rh. Напруга в цій точці відносно землі дорівнює Uвux. Другі контакти Rзз і Rh знаходяться під потенціалом землі. Отже, Uвux дорівнює U_Rзз (напрузі на Rзз). Для визначення полярності Uвux помітимо, що лівий за схемою контакт Rзз має потенціал землі. Струм, що задається Евх, протікає через правий контакт Rзз так, що він знаходиться під від'ємним потенціалом. Звідси випливає, що при додатній напрузі Евх напруга Uвux буде від'ємна. Тепер, прирівнюємо Uвux до U_Rзз, додавши знак мінус. Це враховує той факт, що Uвux має полярність, протилежну полярності Евх. Отже отримаємо:

(3.6)

Коефіцієнт підсилення зі зворотним зв'язком можна одержати з виразу (3.6) у наступному виді:

(3.7)

Знак мінус у виразі (3.7) вказує, що полярність вихідного сигналу Uвux буде обернена (інверсна) до полярності Евх. Тому схема, наведена на рис. 3.7, називається інвертуючим підсилювачем.

Струм навантаження і вихідний струм

Струм навантаження Ін, що проходить через Rh, визначається тільки Rh і Uвux, але віддає його в навантаження вихідна ланка ОП. Таким чином:

(3.8)

Струм у Rзз також надходить з вихідної ланки операційного підсилювача. Отже, вихідний струм ОП дорівнює:

(3.9)

Максимальне значення Івих визначається типом ОП; зазвичай воно лежить в межах між 5 і 10мА.

Вхідний опір схеми на рис. 3.7 для генератора Евх дорівнює Rвx. Однією з позитивних сторін для використання ОП в даній схемі є його високий вхідний опір. Щоб зберегти високий вхідний опір усієї схеми, зібраної на ОП, варто вибирати резистор Rвx з опором не меншим за 10 кОм.

Подача на інверсний вхід від'ємної напруги

На рис. 3.8 на інверсний вхід ОП через резистор Rbx подана напруга від'ємної полярності Евх. Усі попередньо наведені принципи аналізу справедливі й у даному випадку. Єдине, чим розрізняються рис. 3.7 і 3.8, — це напрямком струмів. Змінюючи полярність Евх, ми змінюємо напрямок усіх струмів і полярність всіх напруг на протилежні. Тепер, при від'ємному Евх, напруга на виході підсилювача буде додатною.

Подача на інверсний вхід змінної напруги

На рис. 3.9 на інверсний вхід ОП подана змінна напруга Евх. Для додатної півхвилі сигналу полярність напруги у даній схемі і напрямок струмів збігаються з показаними на рис. 3.7,а для від'ємної з тими, що показано на рис. 3.8. Як показано на рис. 3.9, вихідний сигнал має протилежний вхідному знак (знаходиться у протифазі), тобто коли Евх додатна, Uвих від'ємна, і навпаки. Виведені в підрозділі 3.4 вирази справедливі і для схеми на рис. 3.9.

Рисунок 3.8 - Інвертуючий підсилювач при від'ємній напрузі на вході (-)

Рисунок 3.9 - Інвертуючий підсилювач при змінній вхідній напрузі

Повторювач напруги

Схема на рис. 3.10 називається повторювачем напруги; зустрічаються також і інші назви даної схеми: підсилювач з одиничним коефіцієнтом підсилення (чи просто з одиничним підсиленням), буферний підсилювач чи ізолюючий підсилювач. Вхідна напруга Евх у схемі повторювача подається безпосередньо на вхід (+) ОП. Оскільки напругу між входами (+) і (-) операційного підсилювача можна вважати рівною нулю, тоді:

(3.10)

Вихідна і вхідна напруги повторювача збігаються як по величині, так і за знаком. Отже, як на те вказує назва схеми, вихідна напруга повторює напругу на вході. Коефіцієнт підсилення по напрузі дорівнює 1 (одиничне підсилення), що видно з виразу:

(3.11)

Повний вхідний опір схеми з боку входу (+) ОП є дуже великий, порядку декількох мегаом. Тому напруга на виході практично ізольована чи відділена від вхідної напруги.

Така схема повторювача напруги дає змогу отримувати повну розвязку вхідних і вихідних ланок у багатокаскадних пристроях [11].

Рисунок 3.10 – Неінвертуючий повторювач напруги

Л Е К Ц І Я № 6