|
|
|
|
|
|
||
Широкое практическое использование ОУ в аналоговых схемах основывается главным образом на применении в них различного рода внешних ОС, чему способствует большое значение коэффициента усиления Коу, а также высокое входное и малое выходное сопротивление ОУ. Высокие качества параметров современных интегральных ОУ позволяют без внесения заметной погрешности при расчете схем на ОУ принимать Кuоу
, КIоу и Rвх.оу .
Основными схемами на ОУ являются инвертирующий и неинвертирующий усилители, режим работы которых осуществляется в пределах линейного участка передаточной характеристики. Также весьма важны схемы компенсации напряжения сдвига .
Неинвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.11).
Данная схема позволяет использовать в качестве неинвертирующего усилителя ОУ, схема обладает высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R1 и Rос.
В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.
Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе Rос и поданную на инвертирующий вход.
Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей является высокое полное входное сопротивление ОУ.
Сопротивления R1 и Rос образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой, так как ток, необходимый для управления усилителем, очень мал ( Iсм >> 0 ).
Поэтому через R1 и Rос течет одинаковый ток и напряжение, приложенное к инвертирующему входу, равно:
Так как IR1 = IRос , Rвх , имеем
Следовательно:
Так как
, Uq >>0, можно написать Найдем отсюда коэффициент усиления схемы Uвых / Uвх , который называют коэффициентом усиления с замкнутой ОС (Kос), или коэффициентом усиления замкнутого усилителя, т.е.
Сопротивления R1 + Rос следует выбирать так, чтобы общий ток нагрузки с учетом этого сопротивления не превышал максимального выходного тока усиления.
Инвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.12)
Входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора Rос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ.
Благодаря высокому коэффициенту усиления усилителя без ОС для изменения выходного напряжения усилителя во всем рабочем диапазоне достаточно весьма малого значения Uз (обычно Uвых.max < Uи.п.).
Если на схему подать положительное входное напряжение Uвх, то Uq станет положительным и выходной потенциал начнет снижаться. Выходное напряжение будет меняться в отрицательном направлении до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе в точке А не станет почти нулевым: Uq = Uвых / Kоу >> 0.
Таким образом, R1 и Rос действует как делитель напряжения между Uвых и Uвх и Uвых / Uвх = Rос / R1.
Точка А называется потенциально заземленной, поскольку потенциал почти равен потенциалу Земли,так как Uq >> 0.
Если принять Rвх.оу и входной ток ОУ Iоу = 0, то
Полагая,что Uq >> 0 и К , запишем
Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего каскада ОУ зависит только от параметров внешней цепи и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Обычно R1 выбирается так, чтобы не нагружать источник напряжения Uвх, а Rос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.
Если выбрать Rос = R1, когда Кuос = - 1, то схема (рис. 1.12) получит свойства инвертирующего повторителя напряжения(инвертор сигнала).
Поскольку Uq 0, входное сопротивление схемы Rвх = R1, выходное сопротивление усилителя:
При Кu,оу , Rвых 0.
Некоторые усилители имеют встроенные регулировочные элементы для устранения сдвига. В усилителях, которые не имеют внутренних средств для устранения нуля Uсдв, приходится добавлять внешнюю резисторную цепь для компенсации напряжения сдвига.
В схеме на (рис. 1.13), хотя Iсм и невелик, но он все же существует и, если даже Uсдв равно нулю, Iсм, протекая через параллельное соединение сопротивлений R1 и Rос, вызовет появление на выходе напряжения Uсдв.вых (Iсм), равного Iсм(R1 || Rос).
Поскольку ток смещения неинвертирующего входа Iсм2 (рис. 1.14) приблизительно равен току смещения, протекающему через инвертирующий вход (Iсм1), то, подключив в цепь неинвертирующего входа сопротивление Rк, равное R1 || Rос, получим напряжение, возникающее на Rк, приблизительно равное напряжению смещения по инвертирующему входу от Iсм1 (R1 || Rос).
Для компенсации Uсдв, вызванного небалансом Uбэ, следует установить делитель, с помощью которого можно было бы компенсировать даже Uсдв.max, не изменяя коэффициент передачи цепи обратной связи.
Схема установки нуля напряжения сдвига (потенциометр Rп) показана на (рис. 1.15).
В этой схеме R3 + R2 = Rк - это условие компенсации напряжения сдвига выхода, вызванного токами смещения. Сопротивление R4 выбирается так, чтобы параллельное соединение R3 и R4, было примерно равно R3. Это означает, что R3 выбирается малым, а R4 - большим. Диапазон регулировки напряжения сдвига приблизительно равен ± U R3/R4, так как R4>>R3. Потенциометр Rп должен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы не нагружать источник питания, но вместе с тем, ток через потенциометр должен быть по крайней мере в 20 - 40 раз больше Iсм, так как R3 и R4 образуют делитель напряжения.
Компенсация Uсдв в неинвертирующем усилителе осуществляется аналогично, однако делитель напряжения устанавливается в цепи ОС, так что очень важно, чтобы R4 было много больше R3 (рис. 1.16).
Заметим, что R1 = R3 + R5, и эта сумма используется в выражении для определения коэффициента усиления усилителя с ОС. Сопротивления Rп и R4 выбираются точно так же, как и для инвертирующего усилителя.