Дифференциальная схема операционного усилителя Схема инвертирующего ОУ Схема

Дифференциальная схема операционного усилителя Схема инвертирующего ОУ Схема неинвертирующего ОУ Напряжение VF представляет собой полезный сигнал, поступающий обычно от предыдущего усилителя или датчика, который необходимо усилить. Если входной проводник имеет значительную длину и присутствуют переменные поля, то в данном проводнике может, как указано выше, наводиться напряжение шумов Vm. В обеих данных схемах ОУ не может отличить полезный сигнал Vr от сигнала шумов Vm; оба сигнала усиливаются и появляются на выходе. Коэффициент усиления ОУ с ОС напряжение шумов на выходе Vвых. ш и напряжение выходного сигнала Vвых будут приблизительно в 100 раз превышать их входные значе¬ния.

Напряжение шумов на выходе ОУ значительно уменьшается, если собрать схему с дифференциальным входом, как показано на рис. В этой схеме полезный сигнал усиливается, как обычно, поскольку он приложен между двумя входами, т. е. сигнал Vr вызывает появление дифференциального входного на пряжения. Vвх д между входными зажимами 1 и 2. Напряжения же шумов Vm относительно земли или общей точки схемы наводятся в каждом входном проводнике. При соответствующем подборе элементов схемы оба наведенных напряжения шумов Vm равны по амплитуде и совпадают по фазе и поэтому являются, как показано на рис. синфазными напряжениями. Таким образом, если напряжение шумов на входе относительно земли такое же, как и на входе 2, то дифференциальное напряжение шумов между входными зажимами 1 и 2 равно нулю. Поскольку в идеальном случае ОУ усиливает только дифференциальные входные напряжения, на выходе напряжения шумов наблюдаться не должно.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС) • КОСС можно определить как отношение изменения входного синфазного напряжения Vсинф к результирующему изменению входного напряжения сдвига Vвх. сдв. Таким образом он приблизительно равен отношению коэффициента усиления при наличии ОС Кос к коэффициенту усиления Ксинф. т. е. Обычно ослабление синфазного сигнала указывается в децибелах, где,

Максимально допустимые входные синфазные напряжения Существуют предельные значения положительного или отрицательного синфазных напряжений, которые можно приложить к входам ОУ. Чрезмерно большие величины входных напряжений могут вывести ОУ из строя или в меньшей степени в режим насыщения, вызвав искажение выходного сигнала. Если на входе ожидаются большие амплитуды входных напряжений, то следует использовать большие напряжения питания.

На рисунке 5. 5 максимальные значения на входах 1 и 2 не столь велики, как максимальные напряжения приложенные к входам I и II. Делитель напряжения, состоящий из Ra и Rb, приводит к тому , что V 2 является частью приложенного VII. Тогда получим Поскольку V 1 имеет такой же потенциал что и V 2, то он будет находиться по той же формуле. Напряжения V 1 и V 2 никогда не должны превышать максимальных значений входного или синфазного напряжения, приводимого в спецификации ОУ. Ниже представлены типичные характеристики зависимости входного напряжения от напряжения питания.

Измерительные схемы на ОУ Часто при измерениях и в промышленных схемах используют ОУ для усиления сигналов с выхода мостовых схем.

Т. к. эти схемы несимметричны, то они чувствительны к наведенным шумам. Поэтому если схема мостового преобразователя предназначена для работы в переменных электрических и магнитных полях, то связанный с ним усилитель должен быть дифференциального типа как на рис 5. 8. Каждая из точек x и y имеет постоянны потенциал относительно земли, равный некоторой части напряжения питания моста. Среднее значение постоянных напряжений в точках x и y есть постоянное входное напржение прикладываемое к ОУ. При изменении параметров окружающей среды, меняется сопротивление датчика на величину ΔR. Мост преобразует это изменение физической характеристики в электрическое изменение между точками x и y, которое усиливается ОУ. Таким образом изменяя измерительные датчики, можно строить различные измерительные приборы.

Увеличивая или уменьшая Roc и Rb на одну и ту же величину, можно регулировать коэффициент усиления ОУ. Однако при изменении этих точек меняется и потенциал точек x и y. Эти изменения можно устранить с помощью схем с высоким входным импедансом, такие как на рис. 5. 9

В таких схемах коэффициенты усиления отрицательные. На схеме а) показан обычный ДУ, на каждый вход которого поступает сигнал с повторителя напряжения. Для схемы на рис 5. 9 а) Рисунок 5. 9 б) это модифицированный вариант 5. 9 а). Он имеет ОУ включенные как неинвертирующие усилители. Они имеют частичную обратную связь и поэтому каждый из них имеет коэффициент усиления, превышающий единицу. Суммарное усиление равно 1+2 R 2/R 3. Т. о. напряжение между точками x и у больше чем дифференциальное входное напряжение между входами в число раз, равное этому коэффициенту усиления. Далее напряжение между точками x и y усиливается выходным каскадом, который имеет коэффициент усиления –Roc/Rвх. Общее усиление схемы равно Этот коэффициент усиления можно изменять, используя в качестве R 3 потенциометр; КОСС при этом не ухудшится. Схема 5. 9 в) также имеет высокий импеданс, что связано с наличием неинвертирующего усилителя на каждом входе. Коэффициент усиления определяется элементами , установленными на выходной ОУ, а именно R’ 1 и R’ос.

Когда они выбраны так, чтобы обеспечивать хороший КОСС, они должны удовлетворять следующим равенствам : Предположим , что мы выбрали R’ 1=1 к. Ом, R’oc=100 к. Ом, чтобы получить коэффициент усиления 101. Тогда в верхнем каскаде R 1=100 к. Ом, Roc=1 к. Ом. Предположим , что ко входам подано напряжение +5 В. Нижний каскад стремить усилить его в 101 раз. Верхний каскад усиливает в 1, 01 раз. В результате выходное напряжение в токе х равно 5, 05 В. Однако нижний каскад для верхнего является инвертирующим. И он стремится усилить 5. 05 В в точке х в 100 раз и одновременно усилить в точке II в 100 раз. Выходное напряжение есть сумма этих 2 ух усилий в точках х и II. Таким образом Дифференциальный коэффициент усиления данной схемы равен

На рисунке 5. 10 представлен еще один ДУ с регулируемым коэффициентом усиления. Его коэффициент изменяется подстройкой потенциометра R 3. В этой схеме правый вывод резистора обратной связи подсоединен к делителю напряжения , на котором падает напряжение выходного сигнала. Когда R 3 имеет максимальное значение, то через Rос подается вдвое меньший сигнал. Отсюда следует минимальное значение коэффициента усиления можно определить из

Это уравнение показывает, что при вдвое меньшем значении глубины отрицательной обратной связи, коэффициент усиления будет вдвое больше. Если R 3 установить на минимум, то правый вывод заземляется и ООС отсутствует. Это приводит к тому, что коэффициент усиления стремится увеличиться до значения К. Если требуется высокое входное напряжение, то необходимо на входы ставить повторители напряжения.

Амплитудно и фазово частотная характеристики В идеальном случае ОУ должен иметь частоту пропускания равную бесконечности. Это означает , что если для сигналов постоянного тока усиление ОУ равно 90 Дб, то оно должно оставаться таким для сигналов в диапазоне от звуковых до радиочастот. Однако КУ реальных ОУ на высоких частотах падает. Это падение обусловлено наличием емкостей в схеме самого ОУ. Реактивные сопротивления на высоких частотах уменьшаются, приводя к шунтированию цепей прохождения сигнала, тем самым уменьшая выходной сигнал. Также с уменьшением КУ на высоких частотах увеличивается сдвиг по фазе выходного сигнала относительно входного. На низких частотах разность фаз между сигналами равна 180°. На более высоких частотах выходной сигнал запаздывает относительно входного на величину более 180°. Это запаздывание называется фазовым сдвигом. Так ОУ представленный на рисунке 6. 2 не имеет фазового сдвига до частоты 30 к. Гц. На частоте свыше 30 к. Гц выходной сигнал начинает запаздывать. На частоте 300 к. Гц фазовый сдвиг составляет 40°. Этот отрицательный сдвиг добавляется к первоначальному запаздыванию, равному 180°, вызывая общее запаздывание в 220°, относительно сигнала, приложенного к инвертирующему входу.