Основные схемы включения ОУ

Введение

Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Классификация ОУ

По типу элементной базы:

- на полевых транзисторах;

- на биполярных транзисторах;

- на биполярно-полевых транзисторах.

- По области применения:

- операционные усилители общего применения;

- прецизионные;

- с малым входным током (электрометрические);

- микромощные и программируемые;

- мощные (сильноточные);

- низковольтные;

- высоковольтные;

- быстродействующие;

- малошумящие;

- звуковые;

- для однополярного питания;

- специализированные;

- возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

По входным сигналам:

- Обычный двухвходовый ОУ;

- ОУ с тремя входами: третий вход, имеющий коэффициент передачи +1 (для чего используется внутренняя ООС), используется для расширения возможностей ОУ, например, смещение по напряжению выходных сигналов относительно входных, или возможность построения каскада с высоким выходным сопротивлением синфазному сигналу, что напоминает трансформатор с двумя обмотками, однако каскад на AD8132 передаёт и постоянный ток, что трансформатор не может.

По выходным сигналам:

- Обычный ОУ с одним выходом;

- ОУ с дифференциальным выходом

Основные схемы включения ОУ

Инвертирующее усилительное звено. Для реализа­ции инвертирующего звена можно применять обычный усилитель напряжения, инвертирующий фазу усиливае­мого сигнала, с конечным усилением. Однако стабиль­ность коэффициента усиления такого усилителя невысо­кая. Вместе с тем при использовании инвертирующего входа ОУ и соответствующей глубине ОС можно обес­печить стабильный коэффициент усиления, зависящий только от параметров элементов ОС, которые можно выбрать с необходимой стабильностью. Схема простей­шего инвертирующего звена на ОУ изображена на рис. 4.1.

Рисунок 4.1- Усилительные звенья на операционных усилителях и ихграфы: а — неинвертирующее звено; б — инвертирующее звено

Чтобы определить коэффициент усиления инверти­рующего усилительного звена и оценить его, необходи­мо знать передаточную функцию. Передаточная функция любого звена, в частности инвертирующего, достаточно просто записывается с помощью графа, который строится в соответствии со схемой. Нумеруются узлы схемы, которые должны соответствовать вершинам графа, а Ветви схемы — дугам. Топология схемы и топология графа одинаковые.

Используя методику с помощью полученного графа, запишем переда­точную функцию инвертирующего усилительного звена:

(1)

(2)

где К — коэффициент усиления усилителя.

Если параметры ОУ близки к идеальным, то мож­но преобразовать к виду

Н(р)= - Y₁/Y₂. (3)

Полученное выражение подтверждает, что осуществляется инверсия фазы сигнала, причем передача звена зависит лишь от элементов цепи ОС.

Если необходимо иметь коэффициент передачи ин­вертирующего звена, равный единице (Н(р)= - 1), то следует выбирать идентичные элементы цепи ОС (Y1=Y2).

При этом условии

. (4)

Неинвертирующее усилительное звено. Для получе­ния неинвертирующего усилительного звена можно ис­пользовать неинвертирующий вход ОУ с соответствую­щей отрицательной ОС . Чтобы записать передаточную функцию этого звена, по аналогии с пре­дыдущим случаем по той же методике строится граф не­инвертирующего звена, топология которого соответству­ет топологии схемы.

С помощью полученного графа записываются пере­дача графа и передаточная функция неинвертирующего усилительного звена:

(5)

При больших значениях коэффициента усиления и вход­ного сопротивления ОУ упрощается:

H(р) = 1 +Y1/Y2; (6)

где, . (7)

Из полученного выражения следует, что фаза усиливаемого сигнала не инвертируется и коэффициент передачи звена при Y1 = 0 равен единице (повторитель напряжения), в остальных случаях он всегда больше единицы. Входное сопротивление неинвертирующего усилительного звена оказывается довольно высоким (примерно таким же, как входное сопротивление ОУ). Однако при неинвертирующем включении ОУ заметно возрастают собственные шумы. Таким образом, неинвертирующее усилительное звено уступает инвертирую­щему по шумовым показателям.