Ограничения величин резисторов во входной цепи и цепи обратной связи

Выбор определенных значений R1 и R2 играет решающую роль. Существует ряд ограничений.

Ограничения, связанные с погрешностью при каскадировании. Основной причиной этих ограничений является ненулевое значение (хотя и малое) выходного сопротивления ОУ. Минимально допустимое значение входного сопротивления ОУ в неинвертирующем режиме должно удовлетворять неравенству где б - заданная погрешность реализации вычислительной операции. Например, при б=0.0002; R_вых = 1.0Ом R_1мин > 5кОм. Рассмотренное ограничение не относится к неинвертирующему включению ОУ.

Ограничения, связанные с наличием дрейфа нуля. Несмотря на все схемные ухищрения, направленные на минимизацию дрейфа нуля, его значение остается ненулевым. Для инвертирующего ОУ при постоянной температуре

Если задана температурная погрешность вычислительной операции, то это означает, что определено максимальное значение R₂:

Ограничения, связанные с заданным видом частотной характеристики. Резистор ОС и резистор входной цепи вместе с входной емкостью ОУ образуют RC- фильтр. Если заданная погрешность

Иногда завод-изготовитель рекомендует величину R₂.

Для снижения влияния входного тока I_вх на работу ОУ последний должен иметь большое входное сопротивление, а для возможности согласования его выходного сигнала с нагрузкой – малое выходное сопротивление. Такое распределение сопротивлений позволяет иметь уровень выходного напряжения, равный нулю при U_вх = 0. Так как каждый каскад операционного усилителя изменяет знак усиливаемого напряжения на обратный, то применяют нечетное количество каскадов, т.е. U_вых имеет обратный знак U_вх, что позволяет строить более гибкую схему и создавать цепи обратной связи, стабилизирующие работу усилителя.

В операционных усилителях обратная связь отрицательна, если она подается с выхода усилителя на инвертирующий вход (рис. 6.2). При последовательной обратной связи входной сигнал U_вх и его сигнал обратной связи подаются на разные входы микросхемы, а при параллельной - на один вход. На рис. 6.2 реализована последовательная обратная связь по напряжению.

Степень обратной связи. B=R₁/(R1+R2). Напряжение обратной связи U_ОС и входное напряжение U_вх включены последовательно.

Рисунок 6.2 – Последовательная ООС по напряжению

На рис. 6.3 приведена схема включения ОУ с последовательной отрицательной обратной связью по току.

На рис. 6.4 приведена схема включения ОУ с параллельной отрицательной связью по напряжению. В зависимости от видов комплексных сопротивлений

может иметь различные частотные характеристики.

Рисунок 6.4 – Параллельная ООС по напряжению.

где K_U – коэффициент усиления усилителя без обратной связи.

Для контура, образованного напряжениями

, на основании второго закона Кирхгофа можно записать:

Так как K_u >>1, то из выражения (6.2) следует, что

, т.е. величина

значительно меньше величины

и ею можно пренебречь. Тогда получаем:

. (6.3)

Выражение (6.3) и есть первое свойство операционных усилителей, которое формулируется так: выходное напряжение операционного усилителя равно напряжению на элементе обратной связи

, взятому с обратным знаком.

Для контура с напряжениями

по второму закону Кирхгофа имеем:

. Учитывая выражение (6.3), можно записать:

Таким образом, входное напряжение операционного усилителя почти полностью выделяется на его входном элементе

. Это второе свойство операционных усилителей.

Для узла А (см.рис.6.4) можно записать уравнение на основаниипервого закона Кирхгофа:

которое с учетом (6.1) его можно преобразовать к виду

К _ОС= Z₂ / Z ₁. При чисто активных сопротивлениях Z ₁ = R₁, Z ₂ = R₂,

K _OC = K_OC = R₂ / R₁. Амплитудно-частотная характеристика такого усилителя равномерна во всем диапазоне частот, т.е. К_ОС не зависит от частоты и является строго постоянной величиной. Это третье свойство операционных усилителей.

При Z ₁ = R₁ и Z ₂ = 1/ (jwc₂) получаем интегрирующий усилитель, у которого коэффициент усиления

При Z₁= 1/ (jwC₁) и Z₂ = R₂ получаем дифференцирующий усилитель, у которого коэффициент усиления

При анализе усилительных схем на ОУ обычно принимают следующие упрощающие предположения (R_вхОУ= ∞; К_u_ОУ = ∞;

Rвых = 0): входы ОУ не потребляют тока; напряжение между входами ОУ равно нулю.

Последнее предположение следует из того, что при К_U_ОУ = ∞ напряжение U_вых = -К_U_ОУ(U₁ – U₂) всегда конечно и по значению меньше напряжения питания Е_п, что может иметь место только при U₂ – U₁ = 0 или U₁ = U₂. Здесь U₁, U₂ – напряжения на входах ОУ.

Рассмотрим реализацию некоторых схем усилителей с использованием ОУ.

Неинвертирующий усилитель (рис.6.5) представляет собой ОУ, охваченный цепью параллельной отрицательной связи по напряжению на резисторах R_OC, R₁. Входной сигнал подан на инвертирующий вход.

Неинвертирующий вход заземлен через резистор R₂, сопротивление которого выбирается:

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами равна нулю, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли. Поэтому

Входное напряжение, т.е. напряжение на выходе относительно общей шины, можно найти как падение напряжения от тока I_OC на резисторе R_OC:

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя

При заданной Э.Д.С. источника сигнала Е_г с внутренним сопротивлением R_г≠ 0 формула (6.4) примет вид

Ток выходной цепи ОУ, протекающий через резисторы R_H и R_OC, включенные параллельно для приращения тока,

Значение выходного тока не должно превышать нескольких миллиампер.

Входное сопротивление усилителя при неидеальном ОУ

Выходное сопротивление усилителя в этом случае

Инвертирующее включение – основа большинства схем обработки сигналов от датчиков, преобразующих измеряемые физические параметры. На базе этого включения строятся дифференциальные усилитель постоянного тока, мостовые усилители, аналоговые интеграторы, дифференцирующие схемы, усилители переменного тока с обратной связью, преобразователи "ток-напряжение", стабилизаторы напряжения, а также нелинейные схемы ограничителей, логарифмирующих усилителей, мультивибраторов и других. Все усилители реализуются посредством одного или нескольких ОУ с линейной и нелинейной обратной связью.

Неинвертирующий усилитель (рис.6.6) представляет собой ОУ, охваченный цепью последовательной отрицательной ОС по напряжению на резисторах R_OC, R₁. Входной сигнал подан на неинвертирующий вход.

Выражение для коэффициента усиления этой схемы можно получить, используя равенства напряжений на входах ОУ:

Если в схеме на рис.6.6 принять R₁ = ∞ и R_ОС = 0, то К_U _. _неинв = 1 и U_вых = U_вх, т.е. имеем повторитель с коэффициентом передачи, равным единице.

Разностный усилитель (рис.6.7) усиливает разность сигналов, приложенных ко входам ОУ. Зная коэффициенты усиления по инвертирующему и неинвертирующему входам, можно получить выражение для выходного напряжения разностного усилителя, используя метод суперпозиции:

В разностном усилителе помехи, попадающие или возникающие на его входах, оказываются синфазными сигналами и не усиливаются, так как схема усиливает только разностный сигнал. Это свойство усилителя используется в различных измерительных схемах.

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: