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 i₁ = i₂ или (u_вх — 0)/R1 = (0 — u_вых)/R2. Согласно последнему уравнению и_вых= — u_вхR2/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 i₁, i₂ и i₃, проте­кающие во входных цепях, будут определяться выраже­ниями:

,

Считая i_вх= 0, получаем i₄ = i₁+ i₂+ i₃- Тогда

.

Следовательно, данная схема осуществляет суммирование входных напряжений с масштабными множителями т₁ = —R4/R1, m₂= —R4/R2 и m₃ = — R4/R3.

Рис. 7.23. Неинвертирующее включение ОУ

На рис. 7.23, а представлена схема неинвертирую­щего усилителя. В таком усилителе равенство U₁= 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_вx0и 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, i₁ = i_C. Так как

,

то

и

.

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