Типовые схемы включения ОУ в усилителях

В основе анализа схем на операционных усилителях лежат два следующих предположения.

Входы ОУ не потребляют тока и имеют очень большое сопротивление. Напряжение между неинвертирующим и инвертирующим входами ОУ под действием отрицательной обратной связи становится равным нулю (принцип виртуального замыкания).

Основываясь на этих предположениях, проведём анализ простейших усилительных схем.

Инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего усилителя показана на рисунке 4.8. Используя два указанных выше предположения, определим коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя.

Рисунок 4.8

Резисторы R₁ и R₂ образуют цепь параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Поэтому в соответствии с принципом виртуального замыкания разность потенциалов между входами ОУ становится очень малой. Поскольку неинвертирующий вход заземлен, то и на инвертирующем входе появляется потенциал близкий к нулю. При этом входной ток I₁, протекающий по резистору R₁, составит I₁=U₁/R₁. Так как вход ОУ имеет очень большое сопротивление, то весь этот ток будет протекать по резистору R₂, создавая падение напряжения

U₂ = U₁ ٠R₂/R₁. Здесь U₁ = U_вх , U₂ = U_вых. . Таким образом Кu = –R₂/R_1. Знак минус учитывает инверсию сигнала на выходе усилителя. Входное сопротивление усилителя R_вх = R₁. Выходное сопротивление очень мало.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя показана на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9

Резисторы R₁ и R₂ образуют цепь последовательной отрицательной обратной связи по напряжению, поэтому в соответствии с принципом виртуального замыкания разность потенциалов между двумя входами ОУ очень мала, то есть на инвертирующем входе будет такое же напряжение, как и на неинвертирующем. Следовательно, через резистор R₁ будет протекать ток I₁ = U₁/R₁. В силу высокого входного сопротивления такой же ток будет протекать и по резистору R_2, а падение напряжения на нем составит U₂ = U₁٠R₂ / R₁. Выходное напряжение будет равно сумме напряжений на инвертирующем входе и падения напряжения на резисторе R_{2 ,} то есть U₂=U₁(1+R₂/R₁). Поэтому коэффициент усиления по напряжению Ku окажется равным Ku=1+R₂/R₁ .

Влияние напряжения смещения может быть исследовано по схеме замещения, представленной на рисунке 4.10. Напряжение смещения оказывается приложенным последовательно с входным напряжением. Таким

образом, на выходе, как и входное напряжение, напряжение смещения будет увеличиваться в Ku раз.

Рисунок 4.10

Коррекция частотной характеристики ОУ

Вследствие наличия паразитных емкостей и многокаскадной структуры операционный усилитель по своим частотным свойствам аналогичен фильтру нижних частот высокого порядка. С ростом частоты происходит поворот фазы выходного сигнала. При наличии отрицательной обратной связи на какой то частоте поворот фазы составляет 180^о и отрицательная обратная связь переходит в положительную. В результате усилитель на операционном усилителе самовозбуждается. Для предотвращения этого нежелательного явления в состав операционного усилителя вводят цепь частотной коррекции. Обычно для этого коллектор одного из усилительных каскадов соединяют с базой этого же транзистора. В результате коэффициент усиления операционного усилителя начинает с ростом частоты на высоких частотах убывать обратно пропорционально частоте и вся частотно фазовая характеристика становится подобной характеристике однокаскадного усилителя. А такой усилитель при любой глубине отрицательной обратной связи не склонен к самовозбуждению. Корректирующий конденсатор может у некоторых операционных усилителей подключаться к специальным выводам. Однако поскольку необходимая емкость такого конденсатора очень невелика, большинство операционных усилителей используют внутреннюю цепь

коррекции, когда корректирующий конденсатор встроен в схемуоперационного усилителя. Зависимость коэффициента усиления операционного усилителя от

Здесь f_T – предельная частота усиления операционного усилителя. На этой частоте коэффициент усиления становится равным 1, а на более высоких частотах усилитель уже будет ослаблять сигнал. Большинство операционных усилителей имеет предельную частоту усиления порядка 1 мегагерца. Однако есть операционные усилители с предельной частотой усиления более 100МГц.

Рисунок 4.11

Типичная частотная характеристика коэффициента усиления K операционного усилителя с частотной коррекцией изображена на рисунке 4.11.

Наряду со снижением полосы пропускания усилителя частотная коррекция дает еще один нежелательный эффект: скорость нарастания выходного напряжения становится при этом довольно малой величиной. Вследствие ограниченного значения этой величины при быстрых

изменениях входного напряжения возникают характерные искажения сигнала, которые не могут быть устранены путем введения отрицательной обратной связи. Их называют динамическими искажениями. В частности, за счет недостаточной скорости изменения выходного сигнала с увеличением частоты начинает искажаться при большой амплитуде выходного сигнала сигнал синусоидальной формы. Часто при этом можно наблюдать, как сигнал синусоидальной формы превращается в сигнал пилообразной формы. В этом случае иногда говорят, что усилитель начал «пилить». Связанное с эти эффектом ограничение по частоте может наблюдаться на частотах намного ниже верхней частотной границы fв. Так у усилителя с верхней частотной границы fв=1МГц «пиление» может начаться уже на частоте 5 КГц. Значения максимальной скорости изменения выходного сигнала для данного операционного усилителя даются в справочной литературе. Оно может лежать от 0,2 до 20 В/мкс у наиболее распространенных операционных усилителей и до 100 и более В/мкс у быстродействующих.

Примеры входных усилителей

Когда встает вопрос о необходимости создания входного усилителя, то есть усилителя, на вход которого будет подаваться сигнал с некоторого датчика, прежде всего необходимо попытаться подобрать подходящий интегральный усилитель с целью получения высокой стабильности передачи сигнала, минимально возможного искажения формы сигнала на входе усилителя или связанные с этим частотные ограничения, а также минимальных шумовых помех.. Скорее всего нужный результат будет достигнут с применением рекомендованных в литературе схем включения интегральных усилителей.

Однако в некоторых редких случаях это окажется невозможно сделать по каким-то причинам. Рассмотрим некоторые нестандартные схемы.

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 1152; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!