Радиотехнические устройства на основе операционного усилителя. - Оcновы радиоэлектроники

Идеальный операционный усилитель

При расчете схем с ОУ широко пользуются понятием об идеальном операционном усилителе, у которого:

    1. Коэффициент усиления по напряжению бесконечно велик: K. 2. Входное сопротивление велико: RВх. 3. Выходное сопротивление мало: RВых0. 4. Усилитель полностью симметричен (), усиливает одинаково колебания любых частот (полоса пропускания бесконечна) и не имеет дрейфа нуля.

Свойства схем идеального ОУ определяются только внешними по отношению к ОУ элементами. Рассмотрим несколько простейших таких схем.

Инвертирующий усилитель (рис. 13).

Поскольку коэффициент усиления по напряжению К=, а выходное напряжение ограничено, то можно считать, что U1=0, а токи определяются из выражений:

. (10)

Ввиду того, что U10, a RВх, входной ток также равен нулю и I1=-I2. Выражая токи с помощью (10), получаем коэффициент усиления схемы:

. (11)

схема инвертирующего усилителя

Рис. 13. Схема инвертирующего усилителя

Знак "минус" означает, что входной и выходной сигналы находятся в противофазе. Отметим: чтобы реальный ОУ работал как идеальный, необходимо выполнение соотношений:

, (12)

Где RH -- сопротивление цепи нагрузки. Погрешность коэффициента усиления схемы в результате невыполнения этих условий определяется по следующим формулам:

. (13)

Входное сопротивление схемы для источника сигналов определяется сопротивлением R1, т. е. R'Вх=R1.

Неинвертирующий усилитель.

Здесь (рис. 14) входной сигнал подается на вход (+), а по инвертирующему входу осуществляется обратная связь. Коэффициент передачи цепи обратной связи

. (14)

Знак "минус" поставлен потому, что обратная связь подается на инвертирующий вход. Коэффициент передачи всей цепи (коэффициент усиления) равен:

. (15)

Входное сопротивление схемы из-за наличия отрицательной обратной связи возрастает: , a выходное сопротивление уменьшается. Кроме этих положительных качеств, существенно возрастает стабильность коэффициента усиления (определяется только стабильностью отношения R2/R1) и увеличивается полоса пропускания усилителя.

схема неинвертирующего усилителя

Рис. 14. Схема неинвертирующего усилителя

В некоторых случаях не столь важным является усиление по напряжению, как способность усилителя согласовывать высокое внутреннее сопротивление источника сигналов c низким и, возможно, изменяющимся, сопротивлением нагрузки. Для этих целей используют повторитель (рис. 15) напряжения c полной обратной связью по инвертирующему входу: R1=, R2=0.

схема повторителя напряжения

Рис. 15. Схема повторителя напряжения

В этом случае

;.

Как видно, коэффициент передачи такой цепи равен единице, входное сопротивление сильно возрастает, а выходное уменьшается. Таким образом, можно ставить низкоомную нагрузку RН=RВых при высокоомном сопротивлении генератора RГ=RВх.

Интегратор.

Данная схема (рис. 16) получается из схемы инвертирующего усилителя (рис. 13) заменой сопротивления R2 на емкость C, имеющую для синусоидального сигнала комплексное сопротивление. Производя замену в (11) для коэффициента передачи цепи, получим:

. (16)

Выражение (16) является условием интегрирования сигнала, так как все составляющие спектра сигнала на входе делятся на j. Для сигнала произвольной формы получим:

. (17)

схема интегратора

Рис. 16. Схема интегратора

В отличие от пассивной интегрирующей цепи, произведение RС здесь может быть даже меньше длительности (или периода) сигнала Т. Необходимо только, чтобы сигнал на выходе в К (коэффициент усиления ОУ) раз был больше, чем при пассивной интегрирующей RC цепи.

Дифференциатор.

схема дифференциатора

Рис. 17. Схема дифференциатора

Данная схема (рис. 17) получается из схемы интегратора, заменой емкости и сопротивления. Заменяя в формуле (11) R1 на и R2 на R, для коэффициента передачи цепи получим:

. (18)

Это является условием дифференцирования сигнала, так как каждая составляющая спектра на входе умножается на j. Итак,

. (19)

Выражение (19) применимо при выполнении условия RC<<KT, где Т -- длительность сигнала, что является гораздо менее жестким условием, чем условие дифференцирования пассивной RC цепью RC<<Т.

Логарифмирующие схемы.

логарифмирующая схема

Рис. 18. Логарифмирующая схема

В цепи обратной связи ставится диод или эмиттерный диод (рис. 18). Известно, что вольт-амперная характеристика p-n перехода определяется равенством, которое является достаточно точным при. Логарифмируя, получаем, отсюда

. (20)

Суммируя выходные напряжения нескольких логарифмических усилителей, можно получить сумму логарифмов от нескольких напряжений, равную логарифму произведения этих напряжений. Обратную операцию - нахождение произведения по логарифму можно осуществить с помощью антилогарифмической схемы, в которой диод VD и сопротивление R меняются местами.

Генератор колебаний прямоугольной формы.

ДУ можно включить таким образом, что они будут работать как генераторы сигналов различной формы (синусоидальной, прямоугольной, треугольной, пилообразной). Рассмотрим схему генератора прямоугольных колебаний на ДУ (рис. 19). В момент подачи напряжения питания на инвертирующий вход 1 поступает нулевое напряжение с первоначально разряженного конденсатора С. В тот же момент на инвертирующий вход 2 может поступать небольшое напряжение U2 через делитель R1R2 с выхода усилителя.

схема генератора прямоугольных колебаний

Рис. 19. Схема генератора прямоугольных колебаний

Небольшое напряжение на выходе может появиться даже при отсутствии дифференциального сигнала между входами 1, 2. Однако даже если U2 очень мало, оно начнет переводить ОУ в режим насыщения вследствие большого коэффициента усиления ОУ без обратной связи, которая в начальный момент не работает вследствие разряженности конденсатора С. Когда ОУ насыщен, конденсатор заряжается через резистор R. Когда напряжение на конденсаторе UC станет равным напряжению

,

Дифференциальное напряжение входов 1, 2 ОУ меняет знак, вследствие чего меняется знак напряжения на выходе UВых и напряжения U2 (рис. 20 )

форма напряжений на выходе u и на конденсаторе u

Рис. 20. Форма напряжений на выходе UВых и на конденсаторе UC

Вследствие этого отрицательное дифференциальное напряжение входов 1, 2 еще более возрастает и скачком переводит ОУ в режим отрицательного насыщения. Конденсатор С начинает теперь разряжаться и затем перезаряжаться на минус. При UC = - U2 снова произойдет скачок выходного напряжения и начнется новый цикл. Период колебаний генератора не зависит от свойств ОУ, а определяется временем перезаряда конденсатора C:

. (21)

Отношение R2/R1 определяет уровень напряжений перезарядки конденсатора. На ОУ можно также строить схемы фильтров и множество других устройств. В настоящее время функции ОУ еще более расширились и под ОУ понимают высококачественный универсальный усилитель напряжения, предназначенный для решения разнообразных задач.

Похожие статьи




Радиотехнические устройства на основе операционного усилителя. - Оcновы радиоэлектроники

Предыдущая | Следующая