Анализ устройств содержащих ОУ

В большинстве случаев ОУ используется с обратными связями, которые определяют функциональное назначение устройства и его основные параметры.

9.6.1.Инвертирующий усилитель. Его обозначение на функциональных схемах приведено на рис.9..

Знак “-” означает, что выходной сигнал находится в противофазе с входным. При этом K >1.

Принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис.9.. В ней R₁, R₂ – резисторы образуют цепь параллельно-параллельной отрицательной обратной связи.

R₃ – служит для устранения разбаланса ОУ за счет входных токов и выбирается из условия

Установим связь между выходным и входным напряжениями.

Для узла «а» по 1-му закону Кирхгофа запишем соотношение:

Учтем, что для идеального ОУ Iоу=0 и распишем токи I_вх и I_ос используя закон Ома (рис.), т.е.:

Учитывая, что входы ОУ виртуально замкнуты ; получим

; отсюда .

Для того, чтобы реальный усилитель можно было считать близким к идеальному, должно быть выполнено несколько условий:

1. , где K - коэффициент усиления, который должен иметь усилитель.

2. I_ос – ток обратной связи.

3. К выходу усилителя подключается сопротивление нагрузки: .

Порядок расчета усилителя на заданный коэффициент усиления К:

1. По справочнику выбирается ОУ и определяем его I_оу и R_вх.оу.

2. Выбираем R₂ из условия: .

3. Рассчитываем R₁=R₂/K.

Если R₁ ≥1кОм, то выбранный ОУ удовлетворяет требованиям, а если R₁ ≤1кОм, то выбираем другой ОУ с большим R_вх и все расчеты проводим заново.

4. Рассчитываем R₃ из соотношения: .

9.6.2. Неинвертирующий усилитель.

Его условное обозначение и принципиальная схема приведены на рис., где K >1. В этой схеме резисторы R₁, R₂ образуют последовательно-параллельную отрицательную обратную связь.

Установим связь между входным и выходным напряжениями. Поскольку входы идеального ОУ виртуально замкнуты, то, запишем

U⁺_вх=U^–_вх.

Здесь U^–_вх= R₁U_вых/(R₁+R₂), а U⁺_вх =U_вх. Подставим записанное в исходное уравнение и, разрешив это уравнение относительно U_вых, получим

U_вых = U_вх (R₁+ R₂)/R₁.

Отсюда К= (R₁+ R₂)/R₁= 1+R₂/R₁.

Если R₁ =∞ (рис.9), то K_и =1, и такой усилитель называется повторителем напряжения. Благодаря последовательной обратной связи по входу он имеет практически R_вх →∞, а благодаря параллельной обратной связи по выходу он имеет R_вых →0.

9.6.3. Преобразователь ток-напряжение

Преобразователь ток- напряжение это устройство которое выполняет преобразует ток в напряжение. Его условное обозначение и принципиальная схема на ОУ приведены на рис..:

В простейшем случае такое преобразование осуществляет резистор R по схеме приведенной на рис.:

Напряжение и ток связаны соотношением U = IR_н при этом должно выполняться соотношение R_i >> R_н.

Однако когда резисторы R_i иR_н становятся соизмеримыми по величине резко возрастает погрешность преобразования.

Этого недостатка лишена схема на ОУ. Благодаря обратной связи эта схема имеет почти нулевое входное сопротивление. А потому преобразование тока в напряжение происходит практически при любом сопротивлении R_i

Установим связь между входным током и выходным напряжением для схемы на ОУ.

Для узла «а» по первому закону Кирхгоффа запишем соотношение для токов:

I_вх=I_ос+I_оу

Учитывая, что входы ОУ виртуально замкнуты (I_оу=0, U⁺_вх=U^–_вх=0), запишем по закону Ома соотношение для тока I_ос= - U_вых/R и разрешив его относительно U_вых, получим

U_вых = - I_вх/R.