5.8. Анализ основных электронных схем, построенных на ОУ
Чтобы упростить анализ работы электронных устройств, построенных на ОУ с ООС, полезно считать его идеальным прибором с бесконечно большими К, Яш и ЯЪЬ1К =0. Кроме того, можно считать, что напряжение смещения равно нулю. Погрешности, обусловленные этими допущениями, вполне приемлемы при использовании количественных соотношений для построения усилителей звуковоспроизводящих устройств.
В данном усилителе имеет место параллельная отрицательная обратная связь по напряжению. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью определяется какгде Uc - напряжение сигнала (на рис. 5.16 (7С =Щ\).
Напряжение на сопротивлении нагрузки вычисляется с учетом падения напряжения на внутреннем (выходном) сопротивлении ОУ:
Uиагр ^вых -^вых ' -^вых *
Выходное напряжение при отключенном сопротивлении нагрузки:
где К - собственный коэффициент усиления ОУ без ОС.
Напряжение на входе ОУ, обусловленное напряжением источника сигнала Uc, соответствует сумме (с учетом знака обратной связи) напряжений:
Uf,x=kUc-U0C=kUc-$KUe^
где к - коэффициент передачи входной цепи, показывающий, какая часть напряжения источника сигнала попадает на вход ОУ; J3 - коэффициент передачи цепи обратной связи; Uoc - напряжение на выходе цепи обратной связи, которая попадает на вход усилителя, определяемое как
После несложных преобразований получим выражение для напряжения на входе ОУ:
UBX{l + $K) = kUc,
U = -*^_
вх 1 + рА"
Полученное выражение показывает, что входное напряжение ОУ существенно меньше напряжения источника сигнала.
Напряжение на выходе усилителя с учетом влияния цепи обратной связи:
и =к-^ вь,х і + р/с
Коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью:
К t/,„x _ k-K
oc ue l + p/c
Выходное сопротивление усилителя, где имеет место отрицательная обратная связь по напряжению:
D
п _ ВЫХ
оь,хос-]+р/с-
Выходное сопротивление операционного усилителя, включение-го в режиме инвертирующего усилителя, уменьшается в (і + $к) раз, поэтому считается, что оно практически равно нулю.
Учитывая особенности ОУ, в частности, его входное и выходное
сопротивления, можно записать следующие соотношения: выходное
сопротивление ОУ /?вых « Д2, входное сопротивление RBX »R2, и оно
также существенно больше сопротивления цепи обратной связи, т.е.
RBX Предположив, что внутреннее сопротивление источника
сигнала Яис -> О, можно определить значение напряжения обратной связи. Оно равно напряжению URJ, которое падает на резистор
Этот коэффициент показывает, какая часть напряжения усиливаемого сигнала поступает на вход ОУ. При определении к пренебрегли значением выходного сопротивления ОУ, так как оно существенно меньше сопротивления внешних резисторов R и R3.
Из формулы, определяющей значение выходного напряжения усилителя, можно найти коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ:
Знак «минус» перед коэффициентом усиления указывает на то, что усилитель инвертирующий, а простое отношение резисторов получено в предположении, что $К >>1 (во многих реальных схемах
РАГ > 1000). Такие усилители называются масштабирующими усилителями, так как коэффициент усиления определяется исключительно номиналами внешних резисторов, которые можно подобрать с высокой точностью.
Выше было показано выражение для напряжения на входе ОУ с учетом напряжения обратной связи:
Действительно, напряжение на входе ОУ инвертирующего усилителя практически равно нулю, так как оно в сотни и тысячи раз меньше напряжения усиливаемого сигнала Uc. Поэтому говорят, что на инвертирующем входе инвертирующего усилителя на ОУ имеет место виртуальная земля. Считается, что потенциал на этом входе равен потенциалу земли, хотя этот вход ОУ прямого соединения с землей не имеет. Это свойство позволяет строить на базе операционного усилителя уникальные функциональные схемы.
Масштабные усилители и согласующие устройства. Неинвер-тирующий масштабный усилитель на ОУ (рис. 5.17). Сигнал обратной связи в схемах на ОУ независимо от типа включения подается на инвертирующий вход. Такой способ подачи обратной связи обусловливает формирование в схеме последовательной отрицательной обратной связи по напряжению, которая приводит к сильному увеличению входного сопротивления усилителя. Большое входное сопротивление неинвертирующего усилителя обеспечивает неизменность коэффициента передачи входной цепи независимо от значения внутреннего сопротивления источников сигнала, т.е. к = 1.
Напряжение источника сигнала подается на неинвертирующий вход ОУ через согласующее сопротивление или без него. На практике с целью обеспечения равных входных сопротивлений для протекания входных токов ОУ, параллельно к входу может быть соединен резистор соответствующего номинала.
Рис. 5.17. Неинвертирующий усилитель на ОУ
Коэффициент усиления не инвертирующего усилителя определяется тем же соотношением коэффициентов передач, что и для инвертирующего усилителя. Так как к = 1, то:
К пСи = — — 1 н—~ •
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя на единицу больше, чем коэффициент усиления инвертирующего усилителя.
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя можно определить как
Двх„ =Д„(1 + РА-)-
Напомним, что в инвертирующих усилителях Явх ин = Rx. Для уменьшения влияния разности входных токов на сдвиг выходного напряжения на практике параллельно к неинвертирующему входу подключают добавочное сопротивление Номинал этого сопротивления вычисляется по формуле:
Л R] • R? 6 Л1 + R2
Наличие добавочного сопротивления позволяет в какой-то мере соблюдать равенство входных напряжений сдвига. Действительно, на инвертирующем входе ОУ для входного тока /вх1 резисторы R] и R2 соединены параллельно. Тогда дополнительное напряжение сдвига на инвертирующем входе, обусловленное этими резисторами, будет равно:
сд1 5x1 Rx+R2 ' Дополнительное напряжение сдвига на неинвертирующем входе ОУ за счет /?б:
RrR2
^сд2 ~ ^вх2 '&6 ~ !ъх1 ' R + Д '
Вели /вх( = /вч2, то выполняется равенство дополнительных входных напряжений сдвига:
На практике выполнить это равенство не удается, поэтому при построении неинвертирующего усилителя номинал резистора /?б выбирают равным требуемому значению входного сопротивления усилителя. Например, если требуется усилитель с входным сопротивлением RBX = 200 кОм, то R6 = 200 кОм.
Такой усилитель называют неинвертирующим масштабирую-щим усилителем. Неинвертирующие масштабирующие усилители могут служить инструментальным усилителем в контрольно-измерительных приборах, не вносящих в контролируемую среду возмущения.
В автоматизированных системах информационные датчики также не должны вносить возмущения в среду измерения и контроля. Для достижения этой цели используются специальные буферные усилители (согласующие устройства): трансформаторы сопротивления со строго заданным и стабильным коэффициентом передачи. В качестве буферного устройства-часто используется повторитель на ОУ.
Повторитель на операционных усилителях (рис. 5.18). Коэффициент усиления (передачи) повторителя на ОУ равен (вернее, чуть больше) единице:
К"0У ТГ F
Повторитель на ОУ обладает очень большим входным сопротивлением. Так как (3 = 1, входное сопротивление определяется как
этом представляет сумму усиленных своим коэффициентом входных сигналов. Такое свойство операционного усилителя позволяет реализовать высококачественные микшерские пульты.
Интересен случай, когда R = R] = R2 = ... = Rn. Тогда схема представляет усилитель суммы входных напряжений:
Если R()r = R, получим простой сумматор напряжений:
икш = и, + и2 + .. +и„.
Прецизионный измерительный усилитель. Схему прецизионных усилителей составляют так, чтобы изменения выходных сигналов плеч взаимно вычитались. Такой подход позволяет обеспечить высокий коэффициент ослабления синфазной составляющей преобразуемого сигнала. Схема усилителя с высоким входным сопротивлением и большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала приведена на рис. 5.20.
Схема выполнена на двух ОУ DAI и DA2 с одинаковыми параметрами, которые представляют собой дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением. Такая схема включения ОУ обеспечивает повышенный коэффициент ослабления Кос сф. ОУ DA3 производит вычитание выходных сигналов операционных усилителей DA 1 и DA2, что позволяет уменьшить влияние напряжения смещения нуля этих ОУ на выходной сигнал усилителя в целом. В этом усилителе резисторы R и R3 выбираются равными, т.е. Rl=R3=R, и равными отношения резисторов R5/R4 =R7/R6. С учетом этих равенств выходное напряжение усилителя можно представить в виде:
Из приведенного выражения видно, что коэффициент усиления по
Напряжению усилителя
зависит в основном от со
противлении R2 и Д, так как отношение резисторов R5/R4 обычно выбирают равным единице, т.е. R5/R4 =R7/R6=. Величину коэффициента усиления /СДу можно регулировать изменением сопротивления R2. Влияние напряжения смещения нуля ОУ на величину выходного полезного сигнала относительно невелико, так как они вычитаются и при одинаковых UCMh Ucm2 практически полностью компенсируются. Хотя и напря^ жение смещения нуля DA3 не компенсируется, его влияние на погрещ., ность усиления невелико, так как сигналы, поступающие на его вход имеют большие значения, а на его выходе имеет место только разность напряжений c/BbDd и ?/вьк2- При необходимости получить дифференциальный выход нагрузку подключают к точкам 1,2 (рис. 5.20).
Схема выборки-хранения аналоговой информации (СВХ). СВХ служит для временного хранения аналоговой информации. Она может выполнять также функцию пикового детектора, т.е. детектора уровня, а также в качестве усредняющего устройства и фильтра частотного детектора медленно меняющихся сигналов. Схема СВХ приведена на рис. 5.21.
Операционные усилители в схеме СВХ включены в режиме повторителя напряжения. Обратная связь через Roc обеспечивает необходимую скорость изменения напряжения на накопительном конденсаторе Снак. Высокое входное сопротивления ОУ, включенного по схеме повторителя, позволяет хранить заряд на конденсаторе в течение времени всего процесса опроса состояния всех аналоговых датчиков. СВХ, в зависимо сти от состояния электронных ключей КЛ и /С/72, имеет три режима работы: режим накопления, режим хранения и режим «стирания» предыдущей информации. На рис. 5.21 положение электронных соответст-вует режиму хранения. В режиме накопления («записи») КЛ замкнут, КЛ2 - разомкнут. Конденсатор Снак быстро (за время отсчета АЦП информации одного канала) заряжается до уровня напряжения входного сигнала, т.к. коэффициент передачи повторителя DA равен единице. Режим «стирания» информации (разряд конденсатора) предшествует режиму «записи». Выбор одного из этих режимов работы СВХ осуществляется путем подачи управляющих сигналов Цпр| и (Уупр2 по шине управления МПУ согласно протоколу обмена информацией.
В качестве ключей КЛ1 и КЛ2 можно использовать как электронные, например, ИМС серии К590, так и герконовые реле. В последнем случае время хранения существенно увеличивается и может достичь значения нескольких секунд.
