Схемы включения операционных усилителей

Поскольку на входе ОУ стоит дифференциальный каскад усиления, имеющий инвертирующий и неинверти­рующий входы, различают два основных вида включения ОУ - инвертирующее и не инвертирующее, кроме того, ОУ за счет высокого коэффициента усиления должен быть охвачен глубокой ООС для обеспечения устойчивости его функционирования.

Схема каскада с инвертирующим включением ОУ изображена на рис. 10.7, а соответствующий график зависимости выходного напряжения ОУ от входного на­пряжения - на рис. 10.8.

Рис. 10.7. Инвертирующая схема включения ОУ

Рис. 10.8. Зависимость выходного напряжения И_вых от входного U_вх для инвертирующей схемы

Из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению, для которой,

A = U_вых/U_вх = К/(1+ КК_ос),

при КК_ос >> 1, K >> 1/К_оc

К_ос = R₁/R_ос.

Из этого следует, что

К = К/(1 + КК_ос) = К/КК_ос = (К/К)(R_г/R_ос) = R_ос /R₁.

Уменьшение коэффициента усиления при наличии параллельной отрицательной обратной связи физически объясняется тем, что при увеличении напряжения U_вх, увеличивается напряжение U_вых и вместе с ним возрастает также ток обратной связи I_ос = (U_вх + U_вых)/ R_ос. Это приводит к уменьшению изменения тока ΔI_{вх у} = I_вх – ΔI_ос, что в свою очередь приводит уменьшению изменения напряжения ΔU_вх = I_вх R_вх. Т.е. выходное напряжение препятствует изменению входного напряжения. Это влияние и есть проявление отрицательной обратной связи.

Рассмотрим схему неинвертирующего усилителя (рис. 10.9), где имеет место последовательная обратная связь по напряжению.

Рис. 10.9. Неинвертирующая схема включения ОУ

Коэффициент усиления с обратной связью K равный отношению выходного напряжения к ЭДС источника сигнала составит,

А = U_вых/ U_вх = К/(1 + К_вх К_ос К),

где K коэффициент усиления ОУ без обратной связи, К_вх = R_вх/(R_г + R_вх) коэффициент передачи входной цепи, при R_вх >> R_г, К_вх = 1, К_ос коэффициент обратной связи К_ос = R₁/(R₁+R_ос),

Отсюда следует, что

K = U_вых/ U_вх = К/(1 + К_ос К) = К/КК_ос = (К/КR₁/(R₁+R_ос) = (R₁ + R_ос)/R₁ =

= 1 + R_ос/R₁.

Уменьшение коэффициента усиления при наличии отрицательной обратной связи физически объясняется тем, что при увеличении напряжения U_вх, увеличивается напряжение U_вых и вместе с ним возрастает также напряжение обратной связи U_ос = К_ос U_вых. Это приводит к уменьшению изменения напряжения ΔU_вх = U_вх – ΔU_ос. Т.е. выходное напряжение препятствует изменению входного напряжения. Это влияние и есть проявление отрицательной обратной связи.

График зависимости выходного напряжения опера­ционного усилителя от входного напряжения приведен на рис. 10.10.

Рис. 10.10. Зависимость выходного напряжения U_вых от входного U_вх для усилителя, выполненного по неинвертирующей схеме

ОУ широко используются в качестве компараторов. Компаратор - такой прибор, который сравнивает напря­жения на двух своих входах. Простейший компаратор представляет собой обыкновенный ОУ без цепей обратной связи. Если напряжение на инвертирующем входе компаратора будет больше, чем на неинвертирующем входе, то на его выходе будет присутствовать напряже­ние, соответствующее логическому нулю. Таким образом, компаратор сравнивает величины двух напряжений с противоположными полярностями напряжений. Так как коэффициент усиления ОУ велик, сравнение вход­ных напряжений компаратора выполняется с высокой точностью. Так как ОУ изначально были предназначены для проведения математических операций с аналоговыми сигналами, различают суммирующее, интегрирующее и дифференцирующее включение ОУ.

Схема суммирующего включения ОУ изображена на рис. 10.11.

Рис. 10.11. Схема суммирующего включения ОУ

Выходное напряжение каскада с суммирующим вклю­чением ОУ можно найти по формуле

U_вых = K (U_вх1 + U_вх2 + U_вх3).

Резистор R₄ нужен для компенсации токов на входе каскада, для чего необходимо выполнение условия, что сопротивления по постоянному току на входах ОУ должны быть равны, т. е. R₁ = R₂ = R₃ и т. д.

Схема интегрирующего включения ОУ изображена на рис. 10.12.

Рис. 10.12. Схема интегрирующего включения ОУ

Выходное напряжение устройства с интегрирующим включением ОУ можно вычислить следующим образом:

Поскольку коэффициент усиления ОУ почти бесконечен, точка соединения R₁ и C_ос является мнимой землей; поэтому

i_R1 = U_вх/R₁.

Так как ток - это скорость изменения заряда q, то ток через конденсатор i_C есть

i_C = dq/dt,

при i_R1 = i_C,

dq/dt = U_вх/R₁.

Но q = CU_вых, поэтому

dq/dt = СdU_вых/dt = U_вх/R₁.

Интегрируя по времени, получим

U_вых = (1/RC)∫U_вхdt.

Схема дифференцирующего включения ОУ изображе­на на рис. 10.13.

Рис. 10.13. Схема дифференцирующего включения ОУ

Выходное напряжение каскада с дифференцирую­щим включением ОУ можно вычислить следующим образом:

В результате перемены места­ми резистора R и конденсатора С в интеграторе получается дифференциатор. Как и ранее, мы предполагаем, что ток, текущий по входу ОУ, пренебрежимо мал, и поэтому i_C1 = i_Rос.

Точка точка соединения R_ос и C₁ является мнимой землей, так что

i_Rос = U_вых/ R_ос

и

i_C1 = CdU_вх/dt (ток скорость изменения заряда),

поэтому

U_вых/ R_ос = CdU_вх/dt,

U_вых = R_осCdU_вх/dt.

В дифференциаторах на ОУ велика вероятность са­мовозбуждения ввиду того, что собственные шумы ОУ усиливаясь, поступают снова на вход ОУ, причем с рос­том частоты реактивное сопротивление конденсатора С₁ уменьшается и коэффициент усиления каскада на ОУ уве­личивается, а значит, и амплитуда сигнала шумов возрас­тает. Для снижения вероятности самовозбуждения при­меняют отсекающие цепи, а именно - последовательно с конденсатором С₁ включают резистор, а параллельно резистору R_ос - конденсатор, тогда включенная на входе ОУ цепь из резистора и конденсатора на низких частотах уменьшает коэффициент усиления каскада, а RС-цепь, включенная между выходом ОУ и неинвертирующим входом на высоких частотах, уменьшает коэффициент усиления каскада, чем достигается снижение склонности к самовозбуждению дифференциального каскада на ОУ.