Решающие усилители

а) Дифференциальные усилители на ОУ

По своему схемному построению ОУ являются дифференциальными усилителями (ДУ). Но их непосредственное использование в качестве таковых обычно оказывается невозможным из-за большого усиления, его нестабильности и неопределенности. Поэтому построение ДУ с использованием ОУ осуществляется по типу устройств с глубокой ООС. Принципиальная электрическая схема ДУ (усилителя с дифференциальным входом) приведена на рис. 8. По существу, данная схема является комбинацией рассмотренных ранее схем инвертирующего усилителя и неинвертирующего усилителя.

Так как ДУ линейный, то, для выходного напряжения, можно записать:

. (4)

На практике часто выполняется условие

и . (5)

Из выражения (4) следует, что при выполнении условия (5) сигнал на выходе ДУ равен усиленной разности сигналов, присутствующих на его инвертирующем и неинвертирующем входах. При этом коэффициент усиления соответствует коэффициенту усиления ИРУ. Следовательно, рассматриваемая схема может выполнять математическую операцию вычитания двух чисел.

б) Инвертирующий сумматор

Инвертирующий сумматор (рис. 9) предназначен для формирования напряжения, равного усиленной алгебраической сумме нескольких входных сигналов, т.е. выполняет математическую операцию суммирования нескольких сигналов. При этом выходной сигнал дополнительно инвертируется, отсюда и название - инвертирующий сумматор. В качестве примера на рис. 9 приведена схема инвертирующего сумматора для трех входных напряжений.

Считая ОУ идеальным, можно сказать, что . Однако по приведенной схеме . В этом случае для инвертирующего входа, согласно первому за­кону Кирхгофа, можно записать

,

откуда выражение для выходного напряжения имеет вид

, (6)

т.е. сигнал на выходе равен инверсии от алгебраической суммы входных сигналов, взятых со своими масштабными коэффициентами.

В частном случае, если , из выражения (6) получим

. (7)

Выражение (7) справедливо для любого числа входных напряжений.

в) Схема сложения - вычитания

В схеме, приведенной на рис. 10, входные сигналы подавались на инвертирующий вход ОУ. Вследствие этого выходной сигнал равнялся инвертированной сумме входных напряжений. Однако входное напряжение можно подавать на различные входы ОУ через соответствующие резисторы. Это позволяет получить на выходе усиленную разность входных напряжений. Схема усилителя, в которой на инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ одновременно подается несколько напряжений,носит название схемы сложения - вычитания (рис. 10).

Складывая соответствующие проводимости, применительно к схеме, данной на рис. 10, для условия равенства однотипных резисторов , можно записать

. (8)

Каждый член полученного выражения равен значению коэффициента передачи схемы по соответствующему ее входу. Поэтому для обеспечения работоспособности усилителя, созданного по схеме, приведенной на рис. 6, сумма коэффициентов передачи по его инвертирующим входам должна равняться сумме коэффициентов передачи по его неинвертирующим входам.

При выполнении условия (8) для выходного напряжения рассматриваемого усилителя можно записать

. (9)

На практике может оказаться, что при обеспечении требуемых коэффициентов передачи по каждому входу условие (8) не будет выполняться, и выходное напряжение такой схемы не будет определяться выражением (9). В этом случае необходимо провести так называемую балансировку схемы. Она сводится к введению в схему дополнительного резистора, включенного между общей шиной и входом усилителя, требуемая величина которого определяется условием (8).

г) Неинвертирующий сумматор

Данная схема может быть получена как частный случай схемы сложения-вычитания. Для этого в схеме, приведенной на рис. 6, входные напряжения необходимо подавать только на неинвертирующий вход ОУ, что реализовано на рис. 11 на примере трехвходового сумматора.

Чтобы выходное напряжение усилителя определялось выражением

,

должно выполняться условие (8), т. е.

, (10)

Необходимую балансировку схемы можно выполнить соответствующим подбором сопротивления резистора R _Б.

д) Интегратор

Интеграторомназывается электронное устройство, выходной сигнал которого пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала.Простейшая схема интегратора, выполненная на ОУ, приведена на рис. 12, а. Данная схема характерна для инвертирующего усилителя, в цепь ОС которого включен конденсатор С. Если , то можно принять

. (11)

Тогда передаточная функция такого устройства с учетом соотношения (11) при условии R _oc = Z _oc(p):

. (12)

Полученное выражение является операторной передаточной функцией идеального интегрирующего звена с постоянной времени t = RC.

Схема на рис. 12, а обладает следующими свойствами:

- частота, на которой коэффициент передачи интегратора равен единице, не зависит от собственного коэффициента усиления ОУ и полностью определяется параметрами его внешней цепи;

- диапазон интегрирования реального интегратора ограничен снизу частотой , что является следствием ограничения максимального коэффициента усиления ОУ;

- диапазон интегрирования реального интегратора ограничен сверху частотой , что является следствием ограничения полосы пропускания ОУ.

Таким образом, устройство, схема которого приведена на рис. 12, а, может использоваться как интегратор только в диапазоне частот w _cp < w < w¢.

Для повышения точности работы интегратора необходимы дополнительные меры, например:

- использование ОУ с малыми значениями U _cм, I _вx и DI _вх;

- применение внешних цепей компенсации U _cм, I _вx и DI _вх;

- ограничение максимального времени интегрирования;

- использование внешних цепей принудительного обнуления интегратора рис. 12, б.

Используя рассмотренные принципы, на основе ОУ можно строить и более сложные схемы интеграторов. Например, схемы, в которых выходное напряжение равно интегралу от разности входных напряжений либо от суммы нескольких напряжений. В этом случае можно воспользоваться схемами сложения и вычитания с последующим интегрированием.

е) Дифференциатор

Дифференциаторомназывается устройство, выходной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала. Другими словами, выходной сигнал дифференциатора пропорционален скорости изменения его входного сигнала. Простейшая схема дифференциатора, выполненная на ОУ, приведена на рис. 13, а. Данная схема является инвертирующим усилителем, в цепь ОС которого включено апериодическое RC- звено. Передаточная функция такого устройства может быть найдена с использованием выражения (11):

(13)

Передаточная функция (13) соответствует идеальному дифференцирующему звену.

Необходимо отметить, что схема дифференциатора (рис. 13, а), вследствие специфики своей ЧХ, кроме полезной составляющей входного сигнала усиливает также высокочастотные составляющие внешних помех и собственных шумов. Все это приводит к значительной погрешности выходного напряжения. Поэтому верхнюю частоту рабочего диапазона схемы следует уменьшать.

Для ограничения частотного диапазона схемы в нее вводят дополнительные элементы R _к и С _к (рис. 13, б). С учетом этих элементов ОПФ дифференциатора имеет вид

.

На практике обычно выбирают R _к С = RС _к. Поэтому на частотах схема дифференцирует входной сигнал. При дальнейшем увеличении частоты начинается интегрирование входного сигнала. Это снижает чувствительность схемы к действию внешних помех.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Таким образом, в ходе данной лекции рассмотрен операционный усилитель, который является одной из основных аналоговых микросхем, широко применяемых в современной технике. На основе данной микросхемы возможно построение не только любых усилительных устройств с заданными параметрами и характеристиками, но и различных устройств, с помощью которых реализуются математические операции над аналоговыми сигналами.

Задание на самостоятельную работу:

1. Изучить материал по рекомендованной литературе. Дополнить конспект лекции.

2. Самостоятельно рассмотреть вопрос: Нелинейные преобразователи на основе ОУ Л1, Л2.

3. Ответить на контрольные вопросы и вопросы 5.1-5.7 II раздела ОК.