Применение интегральных операционных усилителей

Интегральные ОУ широко используются в радиоэлектронной аппаратуре благодаря своей универсальности. На ОУ реализуются различные усилительные устройства, генераторы импульсных и синусоидальных колебаний, фазовые и амплитудные дискриминаторы, различные устройства аналоговой вычислительной техники. Вследствие невысокой стоимости интегральные ОУ широко применяются в качестве функциональных узлов низкочастотных усилителей.

В практических схемах операционный усилитель охватывается цепью ОС, включаемой между выходом и входом. Сопротивление цепи ОС может быть активным или комплексным.

При расчете схем на основе ОУ, охваченных цепью ОС, будем считать, что удовлетворяются два основных требования, предъявляемые к интегральным ОУ: бесконечно большие коэффициент усиления и входное сопротивление. Ввиду бесконечно большого коэффициента усиления ОУ значение дифференциального напряжения на его входах можно считать равным нулю, т. е. потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов такого ОУ оказываются одинаковыми. Бесконечно большое входное сопротивление ОУ позволяет пренебречь его входными токами.

Схема и н ве р т и р у ю ще го усилителя на основе ОУ показана на рис. 7.21, а. Так как потенциал неинвертирующего входа равен нулю,

Рис. 7.21. Инвертирующее включение ОУ

то на основании сделанного выше замечания можно считать равным нулю и потенциал инвертирующего входа. Считая также, что i _вх = 0, получим i ₁ = i ₂ или (u _вх — 0)/ R1 = (0 — u _вых) /R2. Согласно последнему уравнению и _вых = — u _вх R2/R1 и

Знак «минус» в полученной "формуле означает, что полярность выходного напряжения противоположна полярности входного напряжения (отсюда и название «инвертирующий»). Коэффициент усиления такого усилителя определяется лишь соотношением сопротивлений резисторов R1 и R2 и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ.

Так как потенциал точки А равен нулю, то входное сопротивление инвертирующего усилителя R _вх= R1.

В реальной схеме входной ток ОУ i _вх1≠0. Протекая через резисторы R1 и R2, этот ток создает на них некоторое напряжение

которое прикладывается к инвертирующему входу. В результате выходное напряжение отличается от нуля.

Чтобы напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами оставалось равным нулю, неинвер-тирующий вход подключают к общей точке (земле или корпусу) через резистор R3 (рис. 7.21, б). Сопротивление этого резистора выбирается таким, чтобы выполнялось равенство

При равенстве токов i _вх1, и i _вх2 получаем

В случае, когда R2» R1, что имеет место при = R2/R1» 1, получим R3 ≈ R1.

Рис. 7.22. Схема инвертирующего сумматора

Если к инвертирующему входу подключить несколько источников сигналов (рис. 7.22), то токи i ₁, i ₂ и i ₃, протекающие во входных цепях, будут определяться выражениями:

Считая i _вх= 0, получаем i ₄ = i ₁+ i ₂+ i ₃- Тогда

Следовательно, данная схема осуществляет суммирование входных напряжений с масштабными множителями т ₁ = —R4/R1, m ₂ = —R4/R2 и m ₃ = — R4/R3.

Рис. 7.23. Неинвертирующее включение ОУ

На рис. 7.23, а представлена схема неинвертирующего усилителя. В таком усилителе равенство U ₁= 0 выполняется в том случае, если

откуда следует

(7.12)

Отличительным свойством неинвертирующего усилителя является его высокое входное сопротивление, которое определяется по формуле

где R _в_x₀и К_у_u — соответственно входное сопротивление и коэффициент усиления усилителя, не охваченного ОС.

Если на инвертирующий вход ОУ подать все выходное напряжение (рис. 7.23, б),что соответствует R2 = 0в уравнении (7.12), то получится повторитель напряжения с коэффициентом передачи, равным единице.

Устройство, схема которого приведена на рис. 7.24, представляет собой сочетание инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Рис. 7.24. Схема вычитающего устройства на ОУ

Выходное напряжение данной схемы

Если R1 = R3, R2 = R4, то это выражение будет иметь вид

Следовательно, выходное напряжение такого устройства пропорционально разности входных напряжений.

В цепь ООС операционного усилителя можно включить не только активные (резисторы), но и реактивные элементы (например, конденсаторы).

На рис. 7.25, а приведена схема устройства на ОУ, в котором вместо резистора ОС включен конденсатор С.

Рис. 7.25. Схемы интегрирующего (а) и

дифференцирующего (б) усилителей

В этой схеме u _вых = – u _С, i ₁ = i _C. Так как

то

Следовательно, усилитель, схема которого приведена на рис. 7.25, а,является интегрирующим.

В схеме, приведенной на рис. 7.25, б, и _вых = — u_R = —i₁R. Так как i₁ = i_c = Rcdu _С /dt, а и _C = u _вх, то и _вых= Rcdu _вх /dt.

Согласно этому выражению, ОУ, включенный в соответствии с рис. 7.25, б, выполняет операцию дифференцирования входного напряжения. Поэтому такой усилитель называется дифференцирующим.

УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО