- •Оглавление
- •Введение
- •Введение
- •1. Математическое описание усилителей
- •1.1. Общие сведения
- •1.2. Математическое описание усилительных устройств
- •1.2.1. Передаточные функции усилительных устройств
- •1.2.2. Представление передаточной функции элементарными звеньями
- •1.2.3. Частотные характеристики усилительных устройств
- •1.2.4. Обратные связи. Понятие устойчивости
- •1.2.5. Влияние цепи обратной связи на основные характеристики усилительного устройства
- •2. Усилительные каскады на транзисторах
- •2.1. Принцип работы усилителя
- •2.1.1. Усилитель оэ с фиксированным током базы
- •2.1.2. Усилитель ок (эмиттерный повторитель)
- •2.1.3. Усилитель об
- •2.1.4. Понятие о классах усиления усилительных каскадов
- •2.2. Методы стабилизации рабочей точки
- •2.2.1. Каскад с последовательной отрицательной обратной связью по току нагрузки
- •2.2.2. Формирование частотной характеристики каскадов с цепями оос
- •2.3. Усилительные каскады переменного тока на полевых транзисторах
- •2.3.1. Общие положения
- •2.3.2. Усилительный каскад по схеме с общим истоком
- •2.3.3. Истоковый повторитель
- •2.3.4. Усилитель ок (эмиттерный повторитель)
- •2.3.5. Основные параметры каскада усилителя на полевом транзисторе
- •3. Каскады предварительного усиления
- •3.1. Условия работы каскадов предварительного усиления
- •3.1.1. Требования к каскадам и режим работы
- •3.1.2. Определение частотной, фазовой и переходной характеристик
- •3.1.3. Резисторный каскад
- •3.1.4. Характеристики и расчетные формулы резисторного каскада.
- •3.1.5. Расчетные формулы каскада в области средних частот
- •3.1.6. Расчет транзисторного резисторного каскада
- •3.2. Выходные каскады
- •3.2.1. Условия расчета каскадов мощного усиления
- •3.2.2. Расчет однотактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме а
- •3.2.3. Расчет двухтактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме в
- •3.2.4. Бестрансформаторные двухтактные каскады мощного усиления
- •3.2.5. Расчет бестрансформаторных двухтактных каскадов
- •3.3. Широкополосные каскады и каскады специального назначения
- •3.3.1. Особенности широкополосных усилителей
- •3.3.2. Схемы коррекции без обратной связи. Низкочастотная коррекция
- •Высокочастотная коррекция
- •3.3.3. Схемы коррекции с обратной связью
- •Высокочастотная коррекция
- •4.1.2. Усилители постоянного тока, с непосредственной связью
- •4.1.3. Дрейф нуля и способы его уменьшения
- •4 .1.4. Балансные и дифференциальные каскады
- •4.1.5. Операционный усилитель
- •4.1.6. Идеальный операционный усилитель
- •4.1.7. Простейший неинвертирующий усилитель на оу
- •4.2. Преобразователи аналоговых сигналов на операционных усилителях
- •4.2.1. Инвертирующий усилитель на оу
- •4.2.2. Неинвертирующий усилитель на оу
- •4.2.3. Повторитель на операционном усилителе
- •4.2.4. Дифференциатор и интегратор на основе оу
- •4.2.5. Дифференциа́льный усили́тель
- •4.2.6. Суммирующие схемы. Инвертирующий сумматор
- •4.2.7. Неинвертирующий сумматор
- •4.2.8. Интегратор
- •4.2.9. Дифференциатор
- •4.2.8. Активные фильтры
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
4.2. Преобразователи аналоговых сигналов на операционных усилителях
Свойства операционных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью по напряжению
На рис. 4.2.1. изображена схема операционного усилителя, охваченного обратной связью.
Рис. 4.2.1. Схема формирования отрицательной обратной связи
Обратная связь образуется цепью ZOC, которая обеспечивает возврат части энергии сигнала с выхода ОУ на его инвертирующий вход. Поэтому ОС является отрицательной. Так как входным сигналом цепи ОС является обратной связью по напряжению. В связи с этим, выходное сопротивление образованного усилителя будет значительно меньше, чем выходное сопротивление использованного операционного усилителя:
Zвых ООС = ZвыхОУ / (1 + g K), (4.2.1)
где g – коэффициент передачи цепи ОС;
К – коэффициент усиления ОП.
Таким образом, сравнительно малое значение выходного сопротивления ОУ еще больше уменьшается.
Относительно сигнала (Uвх1), подаваемого на инвертирующий вход, выход цепи ООС оказывается подключенным параллельно, а относительно сигнала (Uвх2), подаваемого на неинвертирующий вход, – последовательно. Поэтому могут разниться входные сопротивления для этих двух источников сигнала.
Получим еще несколько выражений, которые будут использованы в дальнейшем.
Так как ОП является дифференциальным усилителем, то выходное напряжение
(4.2.2)
Учитывая, что К велико , а величина выходного напряжения ограничена (по крайней мере, значениями напряжения источника питания, получаем:
(4.2.3)
Для узла в точке А можно записать:
(4.2.4)
Если Rвх > > RОС , то
(4.2.5)
В дальнейшем кроме этих выражений, полученных на основе показателей идеальности ОУ, при анализе отдельных схем будем пренебрегать напряжением смещения нуля (Uсм), входными токами (Iвх, D Iвх) и их дрейфами.
4.2.1. Инвертирующий усилитель на оу
На рис. 4.2.2. приведена схема простейшего инвертирующего усилителя. Неинвертирующий вход заземлен, т.е. находится под нулевым напряжением (Uвх2 рис. 1 равно нулю). Входной сигнал через резистор R1 подается на инвертирующий вход. Операционный усилитель охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению через резистор RОС. Найдем выражение для коэффициента усиления схемы.
Рис. 4.2.2. Инвертирующий усилитель
В соответствии с выражением (4.2.3) UA = UB = 0
Следовательно, потенциал точки А в первом приближении, равен потенциалу общей шины – “земли”. Поэтому эта точка получила наименование “виртуальной земли”.
Используя полученное значение, находим для токов, входящих в (4)
(4.2.6)
.
(4.2.7)
Приравнивая их и учитывая, что К = Uвых / Uвх,, получаем для коэффициента усиления инвертирующего усилителя
, (4.2.8)
где знак минус указывает на изменение фазы выходного сигнала по сравнению с фазой входного на 1800 (выходное напряжение находится в противофазе, инверсно, с входным напряжением). В связи с этим, если входной сигнал нарастает, то усиленный выходной – спадает, и наоборот, спадающему входному сигналу соответствует нарастающий выходной. Подобное явление уже нами встречалось при рассмотрении усилителей ОЭ, ОБ и ОИ.
Из (4.2.8) видно, что инвертирующий усилитель может иметь любой коэффициент усиления как больший единицы, так и меньший.
Параллельная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное (см. (4.2.1)) и выходное сопротивления усилителя. Величину последнего, в первом приближении, можно определить, используя понятие “виртуальная земля”. Так как напряжение в точке А равно нулю, то для источника входного сигнала “кажется”, что между его входами включен резистор R1, т.е.
Rвх и ус = R1 (4.2.9.)
Как показано в предыдущем разделе, введение ООС расширяет диапазон усиливаемых частот. На рис. приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя, спроектированного на основе этого ОУ.
Рис. 4.2.3. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя
Большие коэффициенты усиления исходного ОУ соответствуют весьма узкому диапазону частот – от нуля до примерно нескольких десятков/сотен герц.
Равномерный коэффициент усиления инвертирующего усилителя простирается до верхней частоты, равной:
.
(4.2.10)