Теория усилителей. Схема

Основная масса современных аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств выполняется на специализированных микросхемах – операционных усилителях(условное графическое обозначение и примеры реализации приведены на рис. 6.3).

Операционный усилитель (ОУ) – унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на интегральной схеме и удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

- коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности (K_U → ∞);

- входное сопротивление стремится к бесконечности (R_ВХ → ∞);

- выходное сопротивление стремится к нулю (R_ВЫХ → 0);

41- если входное напряжение стремится к нулю, то выходное напряжение также равно нулю (U_ВХ = 0 → U_ВЫХ = 0);

- бесконечная полоса усиливаемых частот (f_В → ∞)

Являясь, по существу, идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п.

Рис. 6.3. Операционный усилитель: обозначение на схемах и реальные устройства

Основные типы схем на базе ОУ:

Инвертирующий усилитель. Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя) R1 и Roc между выходом и инвертирующим входом, и соединив неинвертирующий вход ОУ с общей точкой, получим инвертирующий усилитель (рис. 6.4).

 

Рис. 6.4 Схема инвертирующего усилителя на ОУ

 

Зависимость выходного напряжения от входного сигнала (статическая амплитудная характеристика) такого усилителя рассчитывается по формуле:

, (6.1)

где: R 1 и R _ос – сопротивления, определяющие коэффициент усиления инвертирующего усилителя.

Из формулы следует, что при значении R _ос = R 1, амплитудная характеристика инвертирующего усилителя принимает следующий вид:

. (6.2)

Модель инвертирующего усилителя в среде Multisim (рис. 6.5):

Рис. 6.5. Инвертирующий усилитель

Рис. 6.6. Показания осциллографа, подключенного ко входу и выходу инвертирующего усилителя

Неинвертирующий усилитель. Схема неинвертирующего усилителя представлена на рисунке 6.7.

 

 

 

 

 

 

Рис. 6.7. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ.

 

Амплитудная характеристика неинвертирующего усилителя на ОУ рассчитывается по следующей зависимости:

, (6.3)

где: R 1 и R _ос – сопротивления, определяющие коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.

Из формулы следует, что при значении R _ос = 0, амплитудная характеристика принимает следующий вид:

. (6.4)

Модель инвертирующего усилителя в среде Multisim (рис. 6.8):

Рис. 6.8. Неинвертирующий усилитель

Рис. 6.9. Показания осциллографа, подключенного ко входу и выходу неинвертирующего усилителя

Дифференциальный усилитель. Усиливает разность двух входных напряжений на соответствующих входах U_{вх 1} и U_{вх 2} и подавляет на них синфазный (одинаковый) сигнал помехи.

 

 

 

Рис. 6.10 Схема дифференциального усилителя на ОУ.

 

Амплитудная характеристика дифференциального усилителя на ОУ рассчитывается по следующей зависимости:

, (6.6)

где: R 1 и R _ос – сопротивления, определяющие коэффициент усиления дифференциального усилителя.

 

При этом должно соблюдаться условие:

(6.7)

Модель инвертирующего усилителя в среде Multisim (рис. 6.11):

Рис. 6.11. Дифференциальный усилитель

Рис. 6.11. Показания осциллографа, подключенного ко входу и выходу дифференциального усилителя