Схемы включения операционных усилителей

На основе ОУ могут быть построены самые разнообразные схемы. При их построении необходимо учитывать, что ОУ всегда управляется сигналом, действующим на его дифференциальных входах, но входной сигнал не обязательно должен быть дифференциальным: его можно подать на один из входов ОУ, заземляя второй. При этом получают две основные схемы включения ОУ - инвертирующую и неинвертирующую. Рассмотрим основные схемы включения.

А. Инвертирующее включение ОУ

Инвертирующее включение ОУ в схеме широкополосного усилителя ( ШПУ) приведено на рис.5. В схеме представлены лишь основные элементы, которые рассчитываются при проектировании ШПУ на основе ОУ. Остальные элементы схемы (корректирующие и т.д.) как правило, рекомендованы заводом-изготовителем и приводятся в справочной литературе по ОУ. Из указанных на схеме резисторов R₂ является элементом отрицательной обратной связи, резистор R₁ определяет входное сопротивление ШПУ, а совместно с R₂ и усилительные свойства схемы.

Подаваемый на вход сигнал вызывает появление между входами ОУ напряжения, которое усиливается ОУ и поступает на выход схемы. Однако анализ и расчет схемы ШПУ на основе ОУ имеет ряд особенностей. Прежде всего, при анализе удобно полагать ОУ идеальным, принимая его основные параметры равными:

Кu =¥ ; R вх = ¥ ; U вх = 0

Такое допущение значительно упрощает расчетные соотношения и при реальных параметрах современных ОУ не наносит существенного ущерба точности. Идеализация ОУ позволяет считать, что входы идеального ОУ не потребляют ток от источника сигнала (R_вх = ¥ ), а напряжение между входами идеального ОУ равно нулю (К_U = U_вых/U_вх = ¥). С учетом сказанного можно считать, что весь ток, возбуждаемый источником сигнала протекает через резисторы R₁ и R₂, т.е. I ₁= I₂. Поскольку К_U =¥, то U_вх = 0 и потенциал инвертирующего входа равен потенциалу общей точки. Следовательно, резистор R₂ оказывается как бы подключенным параллельно выходу усилителя и напряжение на этом резисторе равно выходному напряжению, т.е. U₂ = I₂R₂

Коэффициент усиления схемы с учетом I₁ = I₂ и I₁ = U₁/R₁ определяется соотношением:

Таким образом, коэффициент усиления ШПУ определяется отношением R₂/R₁ и не зависит от параметров ОУ.

На основе схемы рис.5 можно построить инвертирующий сумматор, у которого выходное напряжение равно или пропорционально сумме входных напряжений. На рис.6 приведена схема такого сумматора.

Выходное напряжение инвертирующего сумматора равно:

При необходимости придать АЧХ ШПУ на основе ОУ требуемую форму вместо R₁ и R₂ включают частотно зависимые цепи с комплексными сопротивлениями Z₁ и Z₂. В этом случае коэффициент усиления определяется выражением

При Z₂ = R и использовании в качестве Z₁ конденсатора с емкостью С получаем схему рис.8, называемую дифференцирующим усилителем.

Следовательно, напряжение на выходе пропорционально производной от входного напряжения.

Б. Неинвертирующее включение ОУ

Схема ШПУ при неинвертирующем включении ОУ приведена на рис.9. Принцип работы схемы аналогичен принципу работы схемы рис.5 с той лишь разницей, что выходное напряжение изменяется в фазе с входным Uвх. Определим параметры схемы рис.9.

Напряжение обратной связи снимается с резистора R₁ и равно

Так как в идеальном ОУ U_вх = 0, то U_ос = U₁, следовательно, коэффициент усиления по напряжению схемы равен

Также как и в схеме рис.5 коэффициент усиления ШПУ рис.9 не зависит от параметров ОУ, а определяется в основном соотношением R₂/R₁.

В некоторых применениях ОУ требуется согласовать высокое внутреннее сопротивление источника сигнала с низким сопротивлением нагрузки. Для этой цели используется повторитель напряжения рис.10 (схема получает ся из схемы рис.9, если R₁ ®¥, а R₂ = 0 ).

Очевидно, что U₁=U₂.

Компаратором называют устройство, в котором происходит сравнение 2-х напряжений - входного и опорного (рис.11а).

Если на инверсный вход ОУ подать не нулевое, а другое фиксированное напряжение, то изменится уровень опорного напряжения и на выходе ОУ скачок будет происходить при других значениях входного напряжения на прямом входе.

Таким образом, операционные усилители выполняют самые разные функции обработки электрического сигнала, среди которых мы рассмотрели самые простые.