Инертирующее,неинвертирующее, дифференциальное включение ОУ

Теоретические сведения.

Тема: Основные схемы включения операционных усилителей

Цель: изучить принципы работы операционных усилителей.

рис.1. Схема неинвертирующего усилителя.

Коэффициент передачи усилителя (рис.1) будет равен

Кuоос=Ки0/(1+Ku0boc)=Ku0/[1+Z1Ku0/ (Zoc+Z1)]. C учетом Ки0 окончательно получим

Kuоос=(Z1+Zoc)/Z1=1+Zoc/Z1= 1/bос.

Из полученного выражения можно сделать следующие выводы:

-коэффициент передачи неинвертирующего усилителя обратно пропорционален коэффициенту передачи цепи ООС;

-при любых сопротивлениях резисторов в цепи ООС коэффи­циент передачи неинвертирующего усилителя не может быть мень­ше единицы. В рассмотренном усилителе фазы вход­ного и выходного напряжений совпадают.

рис.2. Схема инвертирующего усилителя.

Для получения инвертирующего усилителя входной сигнал и сигнал обратной связи должны подаваться на один и тот же инвертирующий вход, т. е. цепь ООС превращается из последовательной в параллельную. При этом неинвертирующий вход, как правило, соединяют с общей шиной. Типовая схема инвертирую­щего усилителя на ОУ приведена на рис.2. В отличие от неинвертирующего усилителя входной сигнал попадает на вход ОУ не непосредственно, а через делитель напряжения, обра­зованный этими же резисторами. Предполагая, что выходное со­противление ОУ равно нулю, для коэффициента передачи усили­теля можно записать

Полагая, что , получим

Kuоос=Zос/Z1

Изменение коэффициента передачи усилителя до величины, меньшей единицы, достигается за счет действия входного дели­теля. Действительно, в предельном случае, когда Zoc = 0, коэффи­циент передачи цепи ООС bос=1 и собственный коэффициент пе­редачи сигнала со входа ОУ равен единице. В этом случае выпол­няется условие Uвх и = Uвых..

Изменеие типа ООС приводит к тому, что входное сопротивление ОУ определяется при активном характере сопротивлений

рис.3. Схема усилителя с дифф-м входом.

По существу, данная схема является комбинацией рассмотренных ранее схем инверти­рующего и неинвертирующего усилителей.

Так как мы имеем дело с линейным устройством, то, используя
принцип суперпозиции для выходного напряжения, можно записать:

(1) '

Суммируя полученные выражения, найдем:

(2)

р "вхуси-1,0-''4'/

На практике часто выполняется условие R1=R2 и Roc= . Тогда выражение (2) примет более простой вид:

Uвых=(Uвх ус и)Roc/R1. (3)

Из полученного выражения следует, что при выполнении усло­вия (2) сигнал на выходе схемы на рис.3 равен усиленной разности сигналов, присутствующих на его инвертирующем и неин­вертирующем входах. При этом коэффициент усиления соответ­ствует коэффициенту, усиления инвертирующего усилителя.

Схема дифференцирования приведена на рис. 5.1

Рис. 1. Схема дифференцирования

Для этой схемы будет справедливо равенство

С(dUa/dt)+Uв/R = 0,

или Uв = - RC(dUa/dt).

При синусоидальном входном напряжении на выходе получим напряжение .

Практическая реализация дифференцирующей схемы сопряжена с большими трудностями, так как отрицательная обратная связь при больших частотах входного сигнала вызывает фазовое опережение, составляющее около 90o: k=1/(1+jwRC).

Оно суммируется с фазовым опережением ОУ, которое может составлять 90 % и схема становится неустойчивой.

При использовании дифференцирующих усилителей следует учитывать возможность появления шума, действующего на входе совместно с дифференцируемым сигналом. При достаточно высоких частотах этот шум может иметь амплитуду, выходящую за линейную часть характеристики усилителя.

При включении в цепь отрицательной обратной связи ОУ конденсатора – такой усилитель называется интегрирующим. Интегрирующие усилители имеют наиболее важное значение для аналоговых вычислителей. В общем случае интегратор описывается зависимостью

,

где Uвых(t=0)=Uвых0 – постоянный член, определяющий начальные условия интегрирования.

Интегратором называется ЭУ, выходной сигнал которого пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала.

На рис. 2 приведена схема интегратора. Данная схема является инвертирующим усилителем, в цепь обратной связи которого включен конденсатор С. Передаточная функция такого устройства W(p)=ZOC(p)/Zвх(p)=(1/Cp)R= =1/(RCp). Полученное выражение является передаточной функцией идеального интегр. звена с постоянной переменной Т=RC.

Схема интегратора с внешней цепью принудительного обнуления приведена на Рис. 3. Если транзистор VT включен, то Uc=0 и интегратор находится в исходном состоянии. Процесс интегрирования начинается после запирания транзистора VT.

Известны схемы, в которых выходное напряжение равно интегралу от разности входных напряжений. Эти схемы строятся на основе дифференциального усилителя. На рис 4 приведена схема вычитающего интегратора.

Для выходного напряжения этой схемы справедливо выражение

Суммирующие схемы на ОУ.

Схема суматора на ОУ

Наибольшее распространение получили устройства, выполняющие алгебраическое суммирование, выполненные на ОУ. Данное ЭУ предназначено для формирования напряжения, равного усиленной алгебраической сумме нескольких входных сигналов, т.е. выполняет математическую операцию суммирования нескольких сигналов. При этом выходной сигнал дополнительно инвертируется.

при R1 = R2 = R3 = R

при R0=R

то есть сигнал на выходе равен инверсии от алгебраической суммы входных сигналов, взятых со своими масштабными коэф.

U1+U2+U3=-Uвых

R4 – уменьшает смещение нуля.

Неинвертирующий сумматор на ОУ

В этой схеме входное напряжение подается только на неинвертирующий вход ОУ. Необходимую балансировку схемы можно выполнить соответствующим подбором сопротивления резистора R1.

Суммирующий интегратор.

При построении различных ЭУ часто бывает необходимо получить выходной сигнал, равный интегралу от суммы нескольких напряжений. В этом случае можно воспользоваться схемой суммирующего интегратора. На рис в качестве примера приведена схема суммирующего интегратора с тремя входами.

При одинаковых входных резисторах на выходе схемы получим напряжение, пропорциональное инвертированному интегралу от суммы входных напряжений.

при R2=R1= Rn= R

Схема суммирующего усилителя в дифференциальном включении.

Uн=Ua*Ka-Uв*Kв

Ка и Кв – коэф. усиления по каждому из дифференциальных каналов усилителя.

Ход работы

1. Собрать приведенные схемы.

2. Рассчитать коэффициент усиления равный номеру варианта.

3. Сделать выводы по полученный данным работы устройств.

Контрольные вопросы

1. Что такое операционный усилитель?
2. Какие схемы можно собрать на ОУ?
3. Объяснить работу ОУ, собранного по схеме дифференциатора.
4. Объяснить работу ОУ, собранного по схеме интегратора.
5. Объяснить работу ОУ, собранного по схеме сумматора.
6. Объяснить работу ОУ, собранного по схеме логарифматора.
7. Объяснить работу ОУ, собранного по схеме инвертированного включения.
8. Зачем в схемах усилителя присутствует резистор обратной связи?

Дата добавления: 2015-05-06