Схемы включения оу

1. Дифференциальное включение

Дифференциальное включение ОУ

Найдем зависимость выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Соотношение между входным напряжением U₁ и напряжением U_p между неинвертирующим входом и общей шиной определяется коэффициентом деления делителя на резисторах R₃ и R₄:

U_p = U₁R4/(R3+R4)

Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной U_n = U_p, ток I₁ определится соотношением:

I₁ = (U₂ - U_p) / R1

Вследствие I₁=I₂ выходное напряжение усилителя в таком случае равно:

U_вых = U_p – I₁R2

Тогда

При выполнении соотношения R₁R₄ = R₂R₃,

U_вых = (U₁ – U₂)R2 / R1

2. Инвертирующее включение

При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной.

Инвертирующее включение ОУ

Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

3. Неинвертирующее включение

При неинвертирующем включении входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R₁ и R₂ поступает сигнал с выхода усилителя. Здесь коэффициент усиления схемы K найдем, положив U₂ = 0, R₃ = 0, R₄ бесконечно велико. Получим:

Неинвертирующее включение ОУ

Как видно, здесь выходной сигнал синфазен входному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают серийно в виде отдельных интегральных микросхем, содержащих по нескольку усилителей в одном корпусе.

Лекция 9

4. Интегратор

Для параллельной ООС по напряжению (соответствует простейшему ФНЧ). (при R1>>Ru).

(потенциал инвертирующего входа из-за действия ООС близок к потенциалу земли).

5. Дифференциатор.

При R1 = 0 Kuос = -jwCRсв (АЧХ соответствует простейшему ФВЧ) Uвых= -Rсв C dEu/dt R1 может включаться для ограничения усиления на верхних частотах.

6. Активные фильтры (АФ)

АФ помимо пассивных элементов, задающих форму АЧХ, имеют и Уэ, обеспечивающие усиление сигналов. Аф на операционных усилителях Имеют несомненные преимущества перед пассивными, особенно в диапазоне частот f10 КГц, где катушки индуктивности громоздки, дороги, нестабильны. Как и пассивные, АФ могут быть различной сложности. Схема ФВЧ первого порядка соответствует схеме дифференциатора, но с обязательным включением R1 , задающим частоту среза w_сн. Если R1=R2=Rсв=R, то w_cн=1/RC (рис. а):

а) б)

ФНЧ первого порядка отличается от схемы интегратора включением резистора Rос параллельно С (для подбора частоты среза). При R2=R1=Rсв =R w_св = 1/RC (рис. б).

Объединение в одной схеме двух фильтров позволяет получить полосовой фильтр.

7. Компаратор напряжения

Компаратор - устройство для сравнения уровней двух сигналов (от compare - сравнивать). В зависимости от соотношения напряжений на его входах он может находится в одном из двух устойчивых состояний.

Если сигнал на неинвертирующем входе больше чем на инвертирующем, то на выходе ОУ будет U_вых=k(U₁-U₂) или фактически +U_пит . Если, наоборот, сигнал на инвертирующем входе будет больше, то на выходе ОУ будет напряжение - U_пит. Для увеличения быстродействия ОУ может быть охвачен положительной обратной связью.

8. Преобразователь ток-напряжение

Входное напряжение в этой схеме U_вх= - U_вых/k _ус=I ^. R/k _ус , а выходное U_вых= - I^.R - пропорционально входному току. Входное сопротивление R_вх - очень мало т.к. R_вх=R /k _ус и не влияет на схему, в которой проводится измерение тока. Отметим также, что напряжение на выходе практические не зависит от нагрузки.

9. Преобразователь напряжение-ток

Ток I, протекающий через резистор нагрузки, не зависит от сопротивления нагрузки R_н, но прямо пропорционален входному напряжению. Таким образом схема является источником тока (гальваностатом) , управляемым напряжением. Недостатком данной схемы является невозможность заземлить R_н.

10. Усилитель-сумматор

Усилитель имеет три независимых входа. Если к каждому из входов приложены напряжения, то для точки суммирования А можно записать:

Учитывая, что точка А имеет потенциальный нуль, токи могут быть записаны как:

Откуда:

В общем случае при наличии n входов

где отношение R0/Ri называется масштабным коэффициентом по соответствующему входу. В частном случае, когда R1=R2=R3=...=Rn

11. Гиратор

Основное применение гираторов заключается в создании участков цепи, имитирующих индуктивность.

Назначение гиратора - поменять знак комплексного сопротивления цепи, а на приведённой схеме — инвертировать действие конденсатора. Желаемый импеданс цепи, который мы хотим получить, можно описать как Z=Rн+jwL

То есть это последовательно соединённые индуктивность L и сопротивление R. Из схемы видно, что импеданс имитированной индуктивности соединён параллельно с импедансом C и R

В случае, когда R много больше чем R_L, то это выражение принимает вид

Zвх=Rн+jwRнRC

Таким образом мы получаем последовательно соединённые сопротивление Rн и индуктивность L = RнRC.

Основное отличие от истинной индуктивности здесь проявляется в том, что присутствует параллельное RC, и в том, что Rн обычно значительно больше, чем в реальных катушках.