35. Функциональные устройства на оу. Схемы. Область применения.

Операционные усилители в настоящее время являются основными элементами для построения аналоговых и импульсных схем. Ниже приведены основные функциональные схемы, выполненные на базе ОУ.

Преобразователи аналоговых сигналов на ОУ. Обычно функции, выполняемые ОУ, определяются элементами обратной связи, в качестве которых используются резисторы, емкости, индуктивности, полупроводниковые приборы и т.д. На основе ОУ могут быть построены масштабные усилители, повторители, сумматоры, интеграторы, стабилизаторы тока и напряжения, активные фильтры, усилители переменного тока, генераторы импульсных сигналов, функциональные преобразователи, схемы сравнения и т.д.

П овторитель напряжения (рис. 73) представляет собой усилитель, охваченный 100% ООС по выходному напряжению B_ос=1. Для повторителя U_вых=U_вх. .

;

,

где K_U0 – коэффициент усиления без ООС;

R_вх0 – входное сопротивление ОУ без ООС.

Благодаря большому входному сопротивлению и малому выходному сопротивлению повторитель используется в качестве согласующего элемента.

Неинвертирующий масштабный усилитель (рис. 74). Здесь коэффициент передачи делителя в цепи ООС определяется выражением:

.

Тогда коэффициент усиления усилителя:

.

Полагая, что К_U0® ¥, получим

,

т.е. .

На основании полученного выражения можно сделать вывод, что коэффициент усиления усилителя не зависит от параметров ОУ и не может быть меньше единицы. Следует отметить, что в рассматриваемом усилителе фазы входного и выходного напряжений совпадают.

Е сли сопротивление Z₁ отсутствует, то неинвертирующий усилитель превращается в повторитель напряжения с коэффициентом усиления равным 1. Такой повторитель используется в качестве элемента согласования между источником сигнала и нагрузкой. В качестве повторителя напряжения часто используются ОУ, у которых в первом каскаде (в дифференциальном усилителе) использованы полевые транзисторы.

В инвертирующем усилителе входной сигнал и сигнал обратной связи подается на инвертирующий вход ОУ. В отличие от неинвертирующего усилителя входной сигнал попадает на вход ОУ не непосредственно, а через делитель Z1 и Zос.

П

олагая, что R_вых=0, можно записать

Полагая, что К_U0®¥, получим .

Для инвертирующего усилителя фазы входного и выходного напряжений сдвинуты относительно друг друга на 180⁰. Входное сопротивление усилителя практически равно сопротивлению резистора Z1, т.к. напряжение на входе ОУ “-” за счет действия ООС стремится к 0. Следовательно, при любых входных сигналах разность напряжения между инвертирующими и неинвертирующими входами стремится к нулю.

В дифференциальном усилителе входной сигнал Uвх подается на прямой и инверсный входы. Особенностью такого усилителя является значительное ослабление синфазных помех.

Интегратор представляет собой ОУ, в цепь обратной связи которого включен конденсатор С. Для интегратора . Для повышения точности работы интегратора необходимо использовать ОУ с малыми значениями Uсм, Iвх и DI_вх и ограничить максимальное время

интегрирования. Известны схемы, в которых выходное напряжение равно интегралу от разности входных напряжений. Эти схемы строятся на основе дифференциальных усилителей.

Функциональные преобразователи на ОУ обеспечивают нелинейную зависимость входного и выходного напряжений. Такие преобразователи представляют собой масштабные усилители, цепи обратной связи которых выполнены в виде сложных делителей, содержащих линейные и нелинейные элементы. В качестве примера рассмотрим схему усилителя с убывающим коэффициентом усиления (рис. 78).

Здесь стабилитроны VD1 и VD2 включены в цепь ООС. При напряжениях (U_VD1 и U_VD2) возникает пробой соответствующих стабилитронов и скачком изменяется сопротивление обратной связи Rоос.

В ряде случаев в цепь обратной связи включаются более сложные электронные схемы, например, цифроаналоговые преобразователи. В таких схемах можно дискретно (ступенчато) изменять коэффициент усиления масштабного усилителя путем подачи соответствующего цифрового кода. Коэффициент усиления таких усилителей можно изменять практически от 0 до 2ⁿ, где n – разрядность цифрового кода.

С табилизатор тока. Один из возможных вариантов стабилизатора тока приведен на рис.79. Величину тока нагрузки Iн устанавливают входным напряжением Uвх. Транзистор позволяет стабилизировать выходной ток. Данное устройство можно рассматривать как усилитель с последовательной ООС по току. При изменении R_н изменяется и J_н, а следовательно, и напряжение U_Э, которое через ОУ поступает в противофазе на базу транзистора VT и изменяет его сопротивление таким образом, чтобы R_H +R_VT const.

Активные фильтры – используются для формирования частотной характеристики заданного типа. Данные фильтры представляют собой ОУ, в обратную связь которого включены частотозависимые элементы. Они подразделяются на фильтры низкой и высокой частоты, полосовые и режекторные (заградительные) фильтры.

Режекторными являются фильтры Чебышева, Баттерворда и Бесселя. В зависимости от количества частотозависимых цепочек RC

активные фильтры бывают фильтрами первого, второго, третьего и т.д. порядка.