Напряжение на выходе усилителя
откуда тогда
При
Из этого выражения следует, что и для этой схемы коэффициент усиления также определяется только параметрами цепи обратной связи и не зависит от параметров ОУ. В схеме имеет место последовательная обратная связь по напряжению, при которой входное сопротивление Rвх/ = (1+bК) Rвх (порядка десятков и сотен мегаОМ). Выходное сопротивление, наоборот, очень мало и составляет доли Ом. Если сопротивление обратной связи R2 =0, то Uвых - Uвх и неинвертирующий усилитель превращается в повторитель напряжения. Операционные усилители используют не только для усиления или выполнения разнообразных математических операций (суммирования, дифференцирования, интегрирования и др.), но и и в качестве элементов автогенераторов, импульсных и измерительных устройств, источников питания и т.д. Рассмотрим некоторые примеры такого использования. 2.1.4. Компаратор Компаратором называется устройство, предназначенное для сравнения входного напряжения с заданным (опорным) напряжением.
а) схема б) функция сравнения Рис. 4. Компаратор напряжений На рис.4а при одинаковых сопротивлениях R, потенциал на инвертирующем входе будет равен полусумме величин U1 и Еon и будет равен нулю, если U1 = -Eon. В этом случае Uвых = 0 и оба диода заперты. Если теперь увеличить входное напряжение на величину D U1, то потенциал инвертирующего входа станет положительным и на входе появится отрицательное напряжение Uвых. При этом откроется диод D2. Напряжение на открытом диоде – величина практически постоянная, равная примерно U*» 0,7 В (для кремниевого диода). То есть выходное напряжение после отпирания диода (а также принимая во внимание, что U- =0) равно –U* независимо от значения U1. Если D U1 < 0, то отпирается диод D1, выходное напряжение делается равным + U* и тоже не зависит от U1. Из рис.4б видно, что выходное напряжение фиксируется на уровнях ± U*, причем отпирание диодов происходят при крайне незначительном отклонении напряжения U1 от -Еon. То есть, чувствительность компаратора, определяемая из Компаратор является простейшим элементом, выполняющим аналого-цифровое преобразование. Он сравнивает два напряжения (входные аналоговые величины) и выдает на выходе сигнал, подчиняющийся законам двоичной логики. Если вместо одиночных диодов D1 и D2 использовать последовательные диодные цепочки, то выходное напряжение будет соответственно больше. Если вообще не включать диоды, то выходные уровни компаратора будут равны + Е и –Е, а чувствительность составит
2.1.5. Избирательные усилители на основе ОУ Для изменения амплитудно – частотной характеристики усилителя с обратной связью широко применяют частотно – зависимую отрицательную обратную связь. Одним из примеров является избирательный усилитель с отрицательной обратной связью с помощью двойного Т-образного моста (рис.5). Двойной Т-образный мост имеет коэффициент передачи напряжения
Рис5.
Вводя расстройку по частоте
Предполагая коэффициент усиления основного усилителя отрицательным и равным – К0, получаем коэффициент передачи усилителя с двойным Т-образным мостом:
Амплитудно-частотные характеристики двойного Т-образного моста и избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом приведены на рис.5. Из рисунка видно, что при частотах входного сигнала w, отличных от некоторой частоты w0, коэффициент передачи моста b ® 1 и усилитель оказывается охваченным глубокой отрицательной обратной связью. При этом коэффициент усиления усилителя согласно (13) стремится к единице. По мере приближения частоты входного сигнала w к частоте w0 коэффициент передачи моста b уменьшается (ослабляется обратная связь), что вызывает увеличение коэффициента усиления ОУ К. На частоте w0 влияние обратной связи полностью исчезает и b =0, а К достигает своего максимального значения. Эту частоту называют квазирезонансной. Данные свойства двойного Т-образного моста проявляются при определенных соотношениях его параметров, например, когда В схеме на рис.5а резистор R4 защищает от пробоя вход ОУ, а R2 задает требуемый коэффициент усиления К. В заключении можно рассмотреть другие варианты схемы ОУ с обратной связью рис.2а. Если заменить R2 конденсатором С1, то получим схему интегратора. Ток через резистор R1 будет равен
На основе интеграторов выполняют генераторы линейно изменяющегося напряжения, например, они используются в качестве генераторов напряжения развертки электронно-лучевых осциллографов. Если заменить сопротивление R1 конденсатором С1, то получим схему дифференциатора. В этом случае Uвх =Uс, а заряжающий конденсатор ток
На рис.5 показано пороговое устройство, работающее аналогично триггеру Шмитта. а) схема б) передаточная характеристика Рис.6 Пороговое устройство Обозначим коэффициент передачи цепи обратной связи:
Из передаточной характеристики видно, что в начальном состоянии выходное напряжение случайно приобретает одно из двух предельных значений: +Е1 или –Е2. Пусть для определенности это будет +Е1. При подаче положительных U1, но меньших U0+, выходное напряжение не измениться, так как разность U1 - U0+ останется отрицательной. U только при U1» U0+ входное напряжение станет близким к нулю, а выходное напряжение начнет уменьшаться. Соответственно начнет уменьшаться потенциал U0 = bUвых, а вместе с ним и входное напряжение. Получается лавинообразный процесс, в результате которого выходное напряжение примет второе устойчивое значение –Е2. Поскольку U1 за время лавинообразного процесса не изменилось и осталось равным U0+, входное напряжение запишется: Дальнейшее увеличение U1 не влияет на величину U2. Если теперь уменьшить величину U1 до нуля и дальше, то выходное напряжение не изменится до тех пор, пока U1 не станет равным U0+. После этого опять произойдет лавинообразный процесс и выходное напряжение вернется к значению Е1. В отличие от триггера Шмитта передаточная характеристика данной схемы двуполярная (а при равенстве Е1 = Е2 еще и симметричная относительно оси U1). Пороговое устройство служит основой для построения широкого класса импульсных схем: генераторов прямоугольных и пилообразных колебаний, формирователей и т.д. Аналогичным путем можно строить схемы, выполняющие другие операции.
|