Решающие схемы на ОУ

1. Инвертирующий усилитель

Рисунок 2.40 – Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель (рисунок 2.40) изменяет знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R _ос отрицательной обратной связи по напряжению. Не инвертирующий вход заземляется. На инвертирующий вход через резистор R 1 подается входной сигнал. Если принять R _{вх ОУ} = ∞ и входной ток ОУ I _ОУ = 0, то I _вх = I _ос, и тогда U _вх − U ₀ / R 1 = U _вых − U ₀ / R _ос.

При К_{U ОУ} → ∞ напряжение на входе ОУ U ₀ = U _вых / К_{U ОУ} → 0, и тогда U _вх / R 1 = − U _вых / R _ос.

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с параллельной обратной связью К_{U и} = U _вых / U _вх = − R _ос / R 1, т. е. определяется параметрами только пассивной части схемы. Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов входы делают симметричными, выбирая R 2 = R 1 // R _ос.

2. Не инвертирующий усилитель

Рисунок 2.41 – Не инвертирующий усилитель

Не инвертирующий усилитель (рисунок 2.41) содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению и не изменяет знак выходного сигнала относительно входного. Входной сигнал подается на не инвертирующий вход ОУ. Полагая U ₀ = 0, I _ОУ = 0 получим U _вых = U _вх [(R 1 + R _ос) / R 1]. Тогда коэффициент усиления не инвертирующего усилителя К_{U н} = 1 + R _ос / R 1.

Входное сопротивление не инвертирующего усилителя R _вх велико, а выходное сопротивление R _вых → 0.

Не инвертирующий и инвертирующий усилители широко используют в качестве высокостабильных усилителей различного назначения.

3. Преобразователь тока в напряжение

Схема преобразователя тока в напряжение показана на рисунке 2.42, откуда видно, что I _вх = I _ос = − U _вых / R _ос и, следовательно, U _вых = − I _вх R _ос. Преимуществами схемы являются малые входное и выходное сопротивления.

Рисунок 2.42 – Преобразователь тока в напряжение

4. Сумматор

Сумматоры делятся на инвертирующие и не инвертирующие, они предназначены для сложения нескольких входных сигналов. Не инвертирующий сумматор (рисунок 2.43 а) реализуется на основе схемы не инвертирующего усилителя (рисунок 2.41) путем добавления к входу параллельных ветвей, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.

При U ₀=0, U _н = U _и = [ R 1 / (R 1 + R _ос)] U _вых.

Тогда U 1– U _н / R + U 2– U _н/ R +… U_n – U _н/ R = 0.

Откуда, для не инвертирующего усилителя

Рисунок 2.43 а – Не инвертирующий сумматор

U _вых=[(R 1 + R _ос) / nR 1] (U 1 + U 2 +… U_n).

Инвертирующий сумматор (рисунок 2.43 б) выполняется по типу инвертирующего усилителя (рисунок 2.40) с числом параллельных ветвей на входе, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.

Для инвертирующего сумматора R _ос = R 1 = R 2 = … = R_n.

При I _{вх ОУ} = 0 получаем I _ос= I 1+ I 2+…+ I_n.

Тогда U _вых = − (R _ос / R 1) U 1 + (R _ос / R 2) U 2 +… (R _ос / R_n) U_n.

5.

Рисунок 2.43 б – Инвертирующий сумматор

Интегратор

Интегратор создают заменой в схеме инвертирующего усилителя (рисунок 2.40) резистора R ос конденсатором С 1 (рисунок 2.44).

Рисунок 2.44 - Интегратор

Выходное напряжение интегратора пропорционально интегралу от входного сигнала. Так как I _вх = I _с или U _вх / R 1= − С 1(dU _вых / dt), то U _вых= − 1 / R 1 С 1 ∫ U _вх dt + U _вых0, где U _вых0 − выходное напряжение при t = 0. Если t = 0 и U _вых0 = 0, то тогда U _вых = − 1 / τ ∫ U _вх dt,

Где τ = R 1 С 1 – постоянная времени.

1 / τ определяет масштаб интегрирования, так при R 1 = 1Мом и С 1 = 0,1 мкФ τ = 0,1 с^-1.

Интеграторы широко распространены в аналоговых решающих и моделирующих устройствах.

6. Дифференциатор

Если в схеме интегратора поменять местами сопротивление R 1 и конденсатор С 1, то получим схему дифференциатора (рисунок 2.45).

Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ и формула выполняемой операции определяется выражением

U _вых = − R 1 С 1 (dU _вх / dt) = − τ (dU _вх / dt).

7. Мультивибратор

Мультивибратор – это устройство, которое служит для получения прямоугольных импульсов. Мультивибратор на ОУ (рисунок 2.46) относится к самовозбуждающимся генераторам. ОУ работает в импульсном режиме (на нелинейном участке амплитудной характеристики). Он сравнивает два сигнала: по не инвертирующему входу U 1 и по инвертирующему входу U _с (напряжение конденсатора С 1).

Рисунок 2.46 – Мультивибратор

В результате перезарядки конденсатора выходное напряжение скачком изменяется от U _{вых max} до U _{вых min} = − U _{вых max}. При R 3 = R 4 длительность импульса t _и ≈ 1,1 R 2 С 1, а период импульса T = 2 t _и ≈ 2,2 R 2 С 1. Изменяя величины R 3 и R 4, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.