Согласование ОУ с нагрузкой по току и по напряжению

Основные схемы включения ОУ: инвертирующая, неинвертирующая, дифференциальная и их параметры

Во многих случаях ОУ используют в схемах с ООС. Основными схемами включения являются инвертирующая и неинвертирующая, дифференциальная.

Инвертирующая схема показана на рис. 2.

Рис. 2.

Резистор представляет собой внутреннее сопротивление источника сигнала , посредством ОУ охвачен ||ООСН.

При идеальном ОУ разность напряжений на входных зажимах стремиться к нулю, а поскольку неинвертирующий вход соединен с общим проводом через резистор , то потенциал в точке а тоже должен быть нулевым ("виртуальный нуль", "кажущаяся земля"). В результате можем записать: , т.е. . Отсюда получаем:

т.е. при идеальном ОУ определяется отношением величин внешних резисторов и не зависит от самого ОУ.

Для реального ОУ необходимо учитывать его входной ток , т.е. или , где - напряжение сигнала на инвертирующем входе ОУ, т.е. в точке а. Тогда для реального ОУ получаем:

Нетрудно показать, что при глубине ООС более 10, т.е. , погрешность расчета для случая идеального ОУ не превышает 10%, что вполне достаточно для большинства практических случаев.

Номиналы резисторов в устройствах на ОУ не должны превышать единиц мегом, в противном случае возможна нестабильная работа усилителя из-за токов утечки, входных токов ОУ и т.п. Если в результате расчета величина превысит предельное рекомендуемое значение, то целесообразно использовать Т-образную цепочку ООС, которая при умеренных номиналах резисторов позволяет выполнить функцию эквивалента высокоомного (рисунок 6.7б) . В этом случае можно записать:

На практике часто полагают, что , а величина обычно задана, поэтому определяется достаточно просто.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ имеет относительно небольшое значение, определяемое параллельной ООС:

т.е. при больших входное сопротивление определяется величиной .

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя в реальном ОУ отлично от нуля и определяется как величиной , так и глубиной ООС F. При F>10 можно записать:

С помощью ЛАЧХ ОУ можно представить частотный диапазон инвертирующего усилителя (см. рисунок 6.6), причем

В пределе можно получить , т.е. получить инвертирующий повторитель. В этом случае получаем минимальное выходное сопротивление усилителя на ОУ:

В усилителе на реальном ОУ на выходе усилителя при всегда будет присутствовать напряжение ошибки , порождаемое и . С целью снижения стремятся выровнять эквиваленты резисторов, подключенных к входам ОУ, т.е. взять (см. рисунок 6.7а). При выполнении этого условия для можно записать:

Уменьшение возможно путем подачи дополнительного смещения на неинвертирующий вход (с помощью дополнительного делителя) и уменьшения номиналов применяемых резисторов.

Неинвертирующая схема приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Поскольку и подаются на разные входы, то для идеального ОУ можно записать:

откуда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:

или

Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ полученные выражения справедливы при глубине ООС F>10.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и определяется глубокой последовательной ООС и высоким значением :

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ определяется как для инвертирующего, т.к. в обоих случаях действует ООС по напряжению:

Расширение полосы рабочих частот в неинвертирующем усилителе достигается так же, как и в инвертирующем, т.е.

Для снижения токовой ошибки в неинвертирующем усилителе, аналогично инвертирующему, следует выполнить условие:

Неинвертирующий усилитель часто используют при больших (что возможно за счет большого ), поэтому выполнение этого условия не всегда возможно из-за ограничения на величину номиналов резисторов.

Наличие на инвертирующем входе синфазного сигнала (передаваемого по цепи: неинвертирующий вход ОУ выход ОУ инвертирующий вход ОУ) приводит к увеличению , что является недостатком рассматриваемого усилителя.

При увеличении глубины ООС возможно достижение , т.е. получение неинвертирующего повторителя, схема которого приведена на рисунке 4.

Рис. 4.

Здесь достигнута 100% последовательная ООС по напряжению, поэтому данный повторитель имеет максимально большое входное и минимальное выходное сопротивления и используется, как и любой повторитель, в качестве согласующего каскада.

Для неинвертирующего повторителя можно записать:

т.е. напряжение ошибки может достигать довольно большой величины.

Дифференциальная схема включения ОУ показана на рис. 5

Рис. 5.

Дифференциальный (разностный) усилитель на ОУ можно рассматривать как совокупность инвертирующего и неинвертирующего вариантов усилителя. Для разностного усилителя можно записать:

Как правило, и , следовательно, . Раскрыв значения коэффициентов усиления, получим:

Для частного случая при получим:

Последнее выражение четко разъясняет происхождение названия и назначение рассматриваемого усилителя.

В разностном усилителе на ОУ при одинаковой полярности входных напряжений имеет место синфазный сигнал, который увеличивает ошибку усилителя. Поэтому в разностном усилителе желательно использовать ОУ с большим коэффициентом ООС. К недостаткам рассмотренного разностного усилителя можно отнести разную величину входных сопротивлений и трудность в регулировании коэффициента усиления. Эти трудности устраняются в устройствах на нескольких ОУ, например, в разностном усилителе на двух повторителях.

Согласование ОУ с нагрузкой по току и по напряжению

Максимальный выходной ток ОУ общего применения обычно находится в пределах 5...20 мА. Иногда этого может оказаться недостаточно. В то же время мощные ОУ сравнительно дороги. Альтернативой их применению в некоторых случаях может быть усиление выходного тока маломощных ОУ. Можно легко увеличить выходной ток ОУ примерно в 100 раз. Для этого достаточно использовать двухтактные эмитгерные повторители на комплементарных транзисторах в режиме класса В (рис. 6). Однако из-за низкого быстродействия операционных усилителей общего назначения даже при наличии обратной связи возникают ощутимые переходные искажения. Их можно ослабить, введя в схему резистор R1.

Рис. 6.

При малых выходных токах, допустимых для данного ОУ, транзисторы закрыты и нагрузка питается только от усилителя. При увеличении выходного тока напряжение база-эмиттер соответствующего транзистора также увеличивается, транзистор открывается и начинает отдавать ток в нагрузку.

Если необходимо повысить выходное напряжение на изолированной нагрузке не более чем в 2 раза без увеличения выходного тока, то наиболее просто эта задача решается включением выходных каскадов ОУ по мостовой схеме (рис. 7).

Рис. 7.

Усилитель У1 — ведущий, а усилитель У2, на котором выполнен инвертирующий повторитель, — ведомый. Выходное напряжение У2 относительно общей точки равно по абсолютной величине выходному напряжению У1, но имеет противоположную полярность. Как следствие, размах напряжения на нагрузке R_L вдвое больше размаха одиночного ОУ того же типа и при том же питании.

Если удвоения напряжения недостаточно, или нагрузка обязательно должна одним полюсом соединяться с общей точкой, а также в случае, когда требуется одновременно увеличить и напряжение, и ток, можно применить схему, показанную на рис. 8 и представляющую собой развитие схемы на рис. 6.

Рис. 8.

Здесь ОУ питается от эмиттерных повторителей на транзисторах VT 1 и V Т2 для ограничения напряжений питания в безопасных пределах. Величины этих напряжений (обычно номинальные для данного типа ОУ) устанавливаются делителями на резисторах R 3, R 4. Токи коллекторов транзисторов VT 1 и V Т2 практически совпадают с токами их эмиттеров, поэтому оконечные транзисторы VT 3 и V Т4, как и в прототипе, управляются токами, потребляемыми ОУ. Резистор R 6 сопротивлением в несколько десятков Ом, обеспечивают нужную зависимость этих токов от выходного тока ОУ. Резисторы R 5 выбираются из условия, чтобы в режиме покоя (при нулевом сигнале на входе) токи в цепях питания ОУ создавали на них падения напряжения, достаточные для установления начальных токов транзисторов VT 3 и V Т4, обеспечивающих отсутствие нелинейных искажений в области нулевых выходных сигналов. Конденсатор С предназначен для коррекции частотной характеристики усилителя. Он обеспечивает снижение коэффициента усиления оконечного каскада на высоких частотах до единицы. Напряжения питания схемы ± Vs могут превосходить номинальные напряжения питания ОУ в два и более раз. Рекомендуется дополнить эту схему цепями защиты от короткого замыкания и перенапряжений.

Дата добавления: 2021-04-05; просмотров: 115; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!