9. Устройства аналоговой обработки сигналов на операционных усилителях

9.1. Инвертирующий и неинвертирующий усилители.

Схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей с внешней обратной связью показаны на рис. 9.1 и 9.2 соответственно.

Рис. 9.1 — Инвертирующий усилитель

Рис. 9.2 — Неинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется элементами внешней обратной связи

.

где R1, R2 — элементы цепи обратной связи (см. рис. 9.1 и 9.2).

Входное сопротивление инвертирующего усилителя

.

Для неинвертирующего усилителя коэффициент усиления и входное сопротивление определяются из соотношений:

;

.

где R_{вх оу} — входное сопротивление ОУ без обратной связи.

Таким образом, коэффициенты усиления в обоих случаях зависят только от отношения сопротивления резисторов R₂ и R₁ и не зависят от коэффициента усиления самого ОУ.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению резистора R₁, а неинвертирующего зависит от входного сопротивления ОУ R_{вх оу} без обратной связи и отношения коэффициентов усиления без обратной связи К_оу и с обратной связью К. Таким образом, входное сопротивление неинвертирующего усилителя может достигать очень больших величин.

Рис. 9.3 — Повторитель напряжения

На основе неинвертирующего усилителя можно построить повторитель напряжения, коэффициент усиления которого близок к единице, а входное сопротивление велико (рис. 9.3).

9.2. Сумматор сигналов на основе оу

Схема, изображенная на рис. 9.4, реализует сложение нескольких входных напряжений с учетом их весовых коэффициентов.

Выходное напряжение этой схемы равно

,

или ,

где К_i = R_oc / R_i — весовой коэффициент i-го входного напряжения.

Рис. 9.4 — Сумматор сигналов на основе ОУ

9.3. Интегратор и дифференциатор сигналов

Если коэффициент передачи цепи обратной связи ОУ является частотно зависимым, то в этом случае можно получить устройства, выполняющие операции интегрирования (рис. 9.5) или дифференцирования (рис. 9.6) входных напряжений.

Рис. 9.5 — Интегратор на основе ОУ

Интеграторы (рис. 9.5) являются одним из основных операционных звеньев аналоговой техники. Напряжение на выходе схемы может быть найдено из соотношения

.

Знак минус отражает свойство данной схемы инвертировать сигналы по фазе. При выборе значений R и С, при которых их произведение равно единице, приведенное выше выражение упрощается

.

Очевидно, что при подаче на вход интегратора постоянного напряжения u_вх(t) = U₁, на выходе напряжение будет изменяться линейно в соответствии с выражением

.

Это свойство формирования линейно изменяющегося напряжения используется в различных схемах генераторов пилообразного и треугольного напряжения.

На рис. 9.6 изображена схема дифференциатора.

Рис. 9.6 — Дифференциатор на основе ОУ

Выходное напряжение этой схемы является по существу производной от входного напряжения

.

К сожалению, схема имеет ряд недостатков практического характера. Поскольку отношение сопротивления обратной связи к реактивному сопротивлению конденсатора с увеличением частоты возрастает, то коэффициент усиления данной схемы с увеличением частоты также растет. Таким образом, схема будет усиливать наряду с сигналом и шумы высокой частоты, имеющиеся на входе. В результате этого на выходе шумы могут превысить полезный сигнал.

Другой проблемой, возникающей в этой основной схеме дифференциатора, является его склонность к самовозбуждению.