Усиление по напряжению без обратной связи

Как было показано ранее, выходное напряжение ОУ . Коэффициент k называется коэффициентом усиления ОУ без обратной связи (в отсутствии электротехнических элементов между входными и выходными зажимами). Для большинства ОУ значение k очень велико и в среднем составляет около 200000. Для каждого типа ОУ этот параметр нормируется производителем и приводится в технических характеристиках.

Ранее мы показали, что выходное напряжение не может превышать значений . Например, при .

Рассчитаем значение , при котором :

;

.

Напряжение 65 мкВ очень мало, его трудно зафиксировать даже в лабораторных условиях. Достаточно сказать, что наводимое на провода напряжение от электромагнитного излучения составляет более 1 мВ.

Выводы:

1. Выходное напряжение ОУ не может превысить значение , поэтому будет находиться либо между этими двумя значениями, либо будет равно одному из них.

2. Чтобы лежало между , в схему необходимо ввести обратную связь, которая уменьшит коэффициент усиления k всей схемы и вынудит зависеть от внешних элементов такой схемы (резисторы, катушки индуктивности, конденсатор).

3. Из-за высокого входного сопротивления входов ОУ для большинства практически важных случаев считается, что входа не потребляют ток от внешнего источника, т.е. ток по входным выводам ОУ не течет.

4. Если входное дифференциальное напряжение E_д настолько мало, что его трудно измерить, то для большинства практических целей можно считать , а этот вывод означает, что из определения следует, что .

ИНВЕРТИРУЮЩИЙ И НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛИ

Одно из наиболее важных применений ОУ заключается в применении его в качестве усилителя.

Усилитель – схема, которая воспринимает входной сигнал, поступающий на ее вход, и выдает на выходе усиленную копию входного сигнала.

Все рассматриваемые нами схемы в этом разделе имеют одно общее свойство: резистор обратной связи, который подключается между зажимом выхода и входа «–». Схемы такого типа называют схемами с отрицательной обратной связью (ООС).

Отрицательная обратная связь дает много преимуществ, и все они основаны на том факте, что характеристики схемы не зависят больше от коэффициента усиления ОУ без обратной связи. В результате подключения резистора обратной связи, мы получаем коэффициент усиления k_ос меньший, чем коэффициент усиления без обратной связи (k_ос< k).

Инвертирующий усилитель

Для изучения правил работы этой схемы примем два упрощающих положения:

1. Напряжение E_д между входами «+» и «-» практически равно нулю;

2. Ток, потребляемый входами «+» и «-», пренебрежимо мал, и его также считаем равным нулю.

Рис.4. Схема инвертирующего усилителя при положительном напряжении на входе (–)

Входное напряжение (рис.4) E_вх через резистор R_вх подается на инверсный вход ОУ. Резистор обратной связи R_ос образует петлю отрицательной обратной связи. Выходное напряжение U_вых снимается с резистора нагрузки R_н. Прямой вход «+» подключен к земле. Так как E_д=0, а потенциал входа «+» тоже равен нулю, получаем что , т.е. . Поэтому входное напряжение U_вх полностью падает на резисторе R_вх: , при этом через резистор R_вх протекает ток: . Так как входа ОУ не потребляют ток, то этот ток I целиком протекает через резистор обратной связи R_ос, вызывая падение напряжения:

.

Правый вывод резистора R_ос непосредственно подключен к верхнему выводу R_н. Нижний вывод R_н находится под потенциалом земли. Левый вывод R_ос также находится под нулевым потенциалом, т.е. R_н и R_освключены параллельно друг другу и следовательно к ним приложено одинаковое напряжение, таким образом .

Окончательно имеем:

Знак «-» указывает на то, что из-за того, что E_вх подается на вход «-» ОУ, полярность выходного сигнала будет противоположной (рис.5).

Рис. 5. Осциллограммы входного Е_вх и выходного U_вых напряжений инвертирующего усилителя

Поделим левую и правую части полученного выражения на E_вх:

- это коэффициент усиления с обратной связью.

Резисторы R_вх и R_ос, как правило, выбирают в пределах от 1 до 100 кОм.

Выбор резистора нагрузки R_н определяется двумя предельными параметрами:

1. Допустимый ток нагрузки регламентируется производителем и приводится в справочных данных (для большинства ОУ составляет );

2. Максимальное напряжение выхода ОУ ограничено напряжением насыщения и зависит от напряжения питания. Например, , , , .

A. . Инвертирующий сумматор

Принцип работы основан на том, что суммирующая точка ∑ (рис.6) и инверсный вход имеют потенциал земли, т.к. и , поэтому входные напряжения Е_вх1, Е_вх2, Е_вх3 полностью падают на соответствующих резисторах R₁, R₂, R₃. Через эти резисторы протекает ток:

; ; .

Так как вход «-» не потребляет ток, то в соответствии с первым законом Кирхгофа ток I, протекающий через резистор R_ос равен: . Этот ток вызывает падение напряжения U_Rос на резисторе обратной связи R_ос, например, если , то

.

Рис.6. Электрическая схема инвертирующего сумматора

Из схемы видно, что резисторы R_oc и R_нвключены параллельно, следовательно, и тогда .

Из выражения следует, что выходное напряжение равно сумме входных напряжений, умноженное на коэффициент усиления . Знак «-» указывает на противоположную полярность входного сигнала по отношению к выходному.