3.2. Усилители на ОУ. Word.

НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ОБРАТНОЙ
СВЯЗЬЮ.
Несмотря на то что ОУ концентрирует в себе лучшие свойства усилительных устройств,
непосредственно в качестве усилителя ОУ не применяется. Это связано с двумя
причинами: во-первых, линейный участок на передаточной характеристике ограничен
весьма малыми напряжениями Uвых.max/ Ku. При увеличении входного напряжения за
эти границы выходное напряжение не изменяется, т.е. наблюдаются нелинейные
искажения сигнала. Во-вторых, коэффициент усиления ОУ Ku меняется от экземпляра к
экземпляру в очень широких пределах и очень сильно зависит от режима работы, в
первую очередь от температуры.
Для улучшения параметров усилительных устройств применяют ОУ с обратной связью
(ОС). На РИС.1,а приведена схема неинвертирующего усилителя на базе ОУ. Входной
сигнал подается на прямой вход ИМС. С выхода ОУ напряжение ОС Uoc подают на
инвертирующий вход ОУ. Таким образом, на входах ОУ действует входное напряжение
Uвх и напряжение Uос, т.е. речь идет об ОС со сложением напряжений, называемой
также последовательной ОС. Выходное напряжение ОУ определяется разностью (Uвх –
Uoc), такая ОС называется отрицательной (ООС).
Коэффициент усиления схемы РИС.1,а – Кu oc = (R1 + R2)/ R1.
Хотя коэффициент усиления схемы зависит лишь от соотношения сопротивлений R1 и
R2, это не означает, что они могут быть выбраны совершенно произвольно. Минимальное
сопротивление резисторов в схемах ОУ ограничено нагрузочной способностью ИМС.
Максимальное сопротивление резистора ограничено, потому что протекающие через
высокоомные резисторы малые токи будут соизмеримы со входными токами ОУ и это
усилит воздействие неидеальности ОУ на работу схемы. В практических схемах
сопротивление находится в пределах 10кОм – 10МОм.
Стабилизация коэффициента усиления ОУ за счет введения ОС приближает свойства
усилителя к источнику ЭДС, т.е. выходное сопротивление схемы РИС.1,a меньше, чем
выходное сопротивление самого ОУ (практически приближается к нулю). Это еще одно
достоинство, достигнутое за счет ОС. Входное сопротивление схемы РИС.1,a очень
большое (практически приближается к бесконечности), что также является достоинством
усилителя с ОС.
Выходное напряжение ОУ ограничено пределами плюс-минус Uвых.max. В схеме
РИС.1,a режим линейного усиления соответствует входным напряжениям, ограниченным
значением плюс-минус Uвых.max/ Кu oc. Поскольку Кu oc << Ku, передаточная
характеристика ОУ с ОС имеет достаточно большую область линейного усиления
(РИС.1,б). Наклон передаточной характеристики на линейном участке АОВ определяется
коэффициентом усиления Кu oc: линия 1 приведена для Кu oc = 4, линия 2 для Кu oc = 10.
Таким образом, введение ОС позволяет расширить линейную область передаточной
характеристики и уменьшить нелинейные искажения. Расширение области линейного
усиления достигается за счет снижения коэффициента усиления схемы.
ИНВЕРТИРУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ОБРАТНОЙ
СВЯЗЬЮ.
Операционный усилитель при подаче сигнала на инвертирующий вход при усилении
изменяет полярность сигнала на противоположную. При передаче синусоидального
напряжения осуществляется сдвиг фазы усиливаемого сигнала на 180 градусов. В
усилительных устройствах широко применяется схема инвертирующего ОУ с ООС
(РИС.2,а). Входной сигнал и сигнал ООС подают на инвертирующий вход ОУ, при этом
происходит сложение токов Івх и Іос, т.е. речь идет об ООС со сложением токов,
называемой также параллельной ООС.
Коэффициент усиления схемы РИС.2,а – Кu oc = - R2/R1.
Знак минус указывает, что полярности входного и выходного напряжений
противоположны.
Входное сопротивление ОУ с ООС: Rвх.ос = R1. Выходное сопротивление данного
усилителя также, как и неинвертирующего, очень мало.
Передаточная характеристика инвертирующего усилителя приведена на РИС.2,б.
Введение ООС в схему инвертирующего ОУ позволяет улучшить его параметры:
повысить стабильность коэффициента усиления, уменьшить выходное сопротивление,
расширить линейную область передаточной характеристики и снизить искажения при
передаче сигналов большой амплитуды. Такие же результаты достигаются и при введении
ООС в неинвертирующий ОУ, отличается только значение входных сопротивлений.
Таким образом, с помощью ООС за счет ухудшения одного из параметров (снижение
коэффициента усиления Кu oc) можно улучшить остальные параметры. При
необходимости большого усиления сигналов применяют многокаскадные схемы, в
которых каждый каскад выполнен на ОУ и охвачен цепью ООС.
КОМПЕНСАЦИЯ ВХОДНЫХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЯ СМЕЩЕИЯ НУЛЯ.
Ранее анализ схем на ОУ проведен в несколько упрощенном виде при идеализации
свойств ОУ. При практическом использовании рассмотренных схем их приходится
снабжать дополнительными элементами.
На РИС.3 приведена схема инвертирующего ОУ с ОС, на которой показаны входные
токи Івх. Ток Івх инвертирующего входа может протекать по резисторам R1 и R2, что
создает на этом входе падение напряжения: Uу = - Івх R1R2/(R1 + R2).
Поскольку Кu ОУ очень велик, то весьма малое значение Uу может вызвать
существенные значения Uвых = Кu Uу. Ненулевое Uвых при Uвх = 0 затрудняет
использование ОУ. Для исключения вредного влияния входных токов к прямому входу
ОУ подключают резистор R = R1 R2/(R1 + R2). Входной ток прямого входа создает на нем
падение напряжения, входной сигнал определяется разностью напряжений на прямом и
инверсном входах и при равенстве входных токов обоих входов Uвых = 0. Схема РИС.3 с
резистором R является практической схемой инвертирующего ОУ. В схеме РИС.1,а
«Неинвертирующий операционный усилитель с обратной связью» также стремятся
выбрать резисторы в цепи ОС таким образом, чтобы сопротивление для входных токов
прямого и инверсного входов было одинаковым. При этом учитывается, что ток прямого
входа протекает через внутреннее сопротивление Uвх (на схеме РИС.1,а не показан).
Передаточная характеристика ОУ в реальных образцах несимметрична относительно
нуля. Эта несимметрия характеризуется напряжением смещения нуля Uсм, которое
различно в каждом экземпляре ИМС, но ограничено предельной величиной, приводимой в
паспортных данных ОУ. Напряжение смещения нуля Uсм приводит к тому, что при
нулевом входном сигнале напряжение на выходе не равно нулю. Для компенсации
вредного влияния напряжения смещения нуля многие схемы на ОУ снабжают
специальными цепями, позволяющими путем регулировки устранить воздействие Uсм. На
РИС.4 приведены примеры схем инвертирующего и неинвертирующего ОУ с ОС,
дополненные цепями для компенсации напряжения смещения нуля. Схемы содержат
потенциометры, установка которых производится в период отладки устройства.
Необходимость компенсации вредного влияния входных токов и напряжения смещения
нуля следует учитывать при создании всех устройств на ОУ.
УСИЛИТЕЛИ С ЕМКОСТНОЙ СВЯЗЬЮ.
Наряду с применением основного типа усилителей – УПТ – в ряде случаев оказывается
целесообразным использование усилителей с емкостной связью. На РИС.5 в качестве
примера показан усилитель с емкостной связью, выполненный на базе ОУ. Применение
емкостной связи между каскадами усилителей в настоящее время вышло из употребления,
так как конденсаторы с большой емкостью невыполнимы в виде элементов ИМС.
Достоинством усилителей с емкостной связью является отсутствие дрейфа нуля:
конденсаторы не пропускают постоянной составляющей, в том числе напряжение дрейфа.
Ограниченность частотного диапазона усилителей с емкостной связью является их
главным недостатком, из – за которого по мере совершенствования УПТ область их
применения заметно сократилась.
УСИЛИТЕЛЬ ТОКА.
Усилители тока предназначены для преобразования малых токов в напряжение.
Простейший способ преобразовать ток в напряжение – это пропустить этот ток через
резистор с известным сопротивлением. Однако при этом для увеличения
чувствительности при преобразовании очень малых токов приходится существенно
увеличивать сопротивление резистора. Это, в свою очередь, приводит, во – первых, к
увеличению нежелательного обратного воздействия цепи с резистором на схему
преобразователя, во – вторых, требует повышения входного сопротивления последующих
каскадов и, в – третьих, увеличивает инерционность цепи, вызываемую действием
паразитных емкостей, в частности емкости соединительной линии.
Усилитель тока на основе ОУ позволяет в значительной степени избавиться от
перечисленных недостатков. В простейшем случае усилитель тока представляет собой
инвертирующий усилитель без входного резистора. На РИС.6 показана схема подобного
усилителя тока. Источник входного тока показан здесь в виде цепи, состоящей из
параллельно включенных идеального источника тока Івх и внутреннего сопротивления Rі.
Коэффициент усиления усилителя тока будет:
Ki = Uвых/ Jвх = - R2/{1 + 1/ [Ku R2/(R2 + Ri)]},
где Кu – коэффициент усиления ОУ.
Если Кu R2/ (R2 + Ri) >> 1, то Кi = - R2.
Входное сопротивление усилителя тока весьма мало, следовательно, устраняется
влияние емкости соединительной линии от источника тока к усилителю тока, так как эта
емкость включена параллельно низкому входному сопротивлению усилителя тока и
поэтому обусловленная ею постоянная времени очень мала. Выходное сопротивление
усилителя тока мало, как и у всякого усилителя с обратной связью по напряжению.
Если к усилителю тока не предъявляется требования высокого быстродействия, то
можно рекомендовать включать конденсатор между выходом и инверсным входом ОУ с
целью уменьшения напряжения шумов на выходе.
Для увеличения коэффициента усиления усилителя тока необходимо увеличивать
сопротивление резистора R2.
УСИЛИТЕЛЬ ЗАРЯДА.
Усилитель заряда обеспечивает выходное напряжение, пропорциональное
электрическому заряду, приходящему на его вход (другими словами, усилитель заряда –
это интегратор входного тока). Схема усилителя заряда показана на РИС.7. Она включает
в себя ОУ, охваченный обратной связью через конденсатор Со.с. Ко входу ОУ
присоединен источник входного заряда q,
Реально в качестве источников входных зарядов выступают обычно пьезоэлектрические
датчики. Использование в этом случае усилителей зарядов вместо усилителей напряжения
позволяет существенно уменьшить погрешности, обусловленные нестабильностью
емкости пьезоэлектрического датчика и соединительной линии. Емкость соединительной
линии, как и выходная емкость источника заряда, оказывает на выходное напряжение
усилителя заряда незначительное влияние, тем меньшее, чем больше коэффициент
усиления ОУ.
Данный усилитель имеет коэффициент преобразования:
Uвых/ q = (1 + R2/ R1)/ Cо.с.
Увеличение коэффициента преобразования усилителя заряда достигается путем
уменьшения емкости Со.с.
ДВУПОЛЯРНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ИЗ ОДНОПОЛЯРНОГО.
Для питания ОУ обычно используют двуполярные источники питания. Двуполярный
источник питания из однополярного можно выполнить по схеме, изображенной на РИС.8.
VD1 и VD2 – стабилитроны с напряжением стабилизации, равным необходимому
напряжению питания ОУ. Резисторы R1 и R2 – балластные, одного номинала. Их
подбором выставляется ток стабилизации VD1, VD2 в необходимых пределах.
Очень часто необходимость двуполярного источника питания отпадает (например при
совместной работе ОУ с цифровыми микросхемами). В этом случае напряжение питания
необходимой полярности подается на один из выводов Uи.п., а второй вывод Uи.п. ОУ
соединяется с общим проводом.