Характеристики оу
+Uвых,
В
Не
инвертирующий вход
Инвертирующий
вход
-Eк
+Eк
+Uвых,
max
-Uвх,
мВ
+Uвх,
мВ
Рисунок 2.39 – Амплитудные (или передаточные) характеристики ОУ
Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму транзистора ЭП (транзистор полностью открыт).
При изменении напряжения входного сигнала на этих участках Uвых остается без изменения и определяется U+ вых. max и U-вых. max, которые близки к напряжению источников питания Ек.
Наклонному участку кривых соответствует пропорциональная зависимость Uвых от Uвх. Угол наклона определяется коэффициентом усиления Ku ОУ = ∆Uвых ∆Uвх Значение Ku ОУ зависит от типа ОУ и может принимать значение от нескольких сотен до сотен тысяч.
Когда кривые проходят через 0, это соответствует Uвых = 0 и Uвых = 0. Такое состояние называется балансом ОУ.
Параметры оу
К входным параметром относятся:
Rвх;
входные токи смещения;
разность и дрейф токов смещения.
К выходным параметрам относятся:
Rвых;
Umax вых;
Iвых.
К энергетическим параметрам относятся:
max потребляемые токи от обоих источников питания;
суммарная потребляемая мощность.
Частотные параметры определяют по АЧХ ОУ.
частота среза fср, начиная с которой АЧХ имеет спадающий характер. Это вызвано частотной зависимостью параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ;
частота единичного усилителя f1, при которой Ku ОУ = 1;
граничная частота fгр, которой соответствует снижение коэффициента усиления ОУ в раз. По fгр. оценивают полосу пропускания частот: ∆f = fв.гр. − fн.гр. (для современных ОУ – это десятки МГц).
К скоростным или динамическим параметрам относятся:
скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика);
время установления выходного напряжения.
Решающие схемы на оу
Инвертирующий усилитель
Инвертирующий усилитель (рисунок 2.40) изменяет знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора Rос отрицательной обратной связи по напряжению. Не инвертирующий вход заземляется. На инвертирующий вход через резистор R1 подается входной сигнал. Если принять Rвх ОУ = ∞ и входной ток ОУ IОУ = 0, то Iвх = Iос, и тогда Uвх − U0 / R1 = Uвых − U0 / Rос.
Rос
Iос
+
+
+
-
-
-
~
Out1
U0
in
V
V2
V1
R3
R2
R1
IОУ
Iвх
Рисунок 2.40 – Инвертирующий усилитель
Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с параллельной обратной связью КUи = Uвых / Uвх = − Rос / R1, т. е. определяется параметрами только пассивной части схемы. Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов входы делают симметричными, выбирая R2 = R1 // Rос.
Не инвертирующий усилитель
Не инвертирующий усилитель (рисунок 2.41) содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению и не изменяет знак выходного сигнала относительно входного. Входной сигнал подается на не инвертирующий вход ОУ. Полагая U0 = 0, IОУ = 0 получим Uвых = Uвх [(R1 + Rос) / R1]. Тогда коэффициент усиления не инвертирующего усилителя КUн = 1 + Rос / R1.
+
+
+
-
-
-
~
in
Out1
U0
R2
R3
Rос
R1
V
V2
V1
Рисунок 2.41 – Не инвертирующий усилитель
Входное сопротивление не инвертирующего усилителя Rвх велико, а выходное сопротивление Rвых → 0.
Не инвертирующий и инвертирующий усилители широко используют в качестве высокостабильных усилителей различного назначения.
Преобразователь тока в напряжение
Iос
Rос
+
+
-
-
Out1
in
U0
V2
V1
V3
Iвх
Рисунок 2.42 – Преобразователь тока в напряжение
Сумматор
Rос
-
-
+
+
+
+
+
-
-
-
In
I2
I1
U1
U2
Un
Uн
Uвых
V1
V2
Uи
R1
R
R
R
U0
Рисунок 2.43 а – Не инвертирующий сумматор
При U0=0,Uн = Uи = [R1 / (R1 + Rос)] Uвых.
ТогдаU1–Uн /R+U2–Uн/R+…Un–Uн/R = 0.
Откуда, для не инвертирующего усилителя
Uвых=[(R1 + Rос) / nR1] (U1 +U2 +… Un).
Инвертирующий сумматор (рисунок 2.43 б) выполняется по типу инвертирующего усилителя (рисунок 2.40) с числом параллельных ветвей на входе, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.
Для инвертирующего сумматора Rос = R1 = R2 = … = Rn.
При Iвх ОУ = 0 получаем Iос= I1+I2+…+ In.
Тогда Uвых = − (Rос / R1) U1 + (Rос / R2) U2 +… (Rос / Rn) Un.
Rос
I1
R1
I2
In
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
Uвых
V2
V1
U0
Un
U2
U1
Rn
R2
Рисунок 2.43 б – Инвертирующий сумматор
Интегратор
Iс
C1
+
+
+
-
-
-
V1_mc3
Out2
V1
R3
R4
R1
V2
Рисунок 2.44 – Интегратор
Выходное напряжение интегратора пропорционально интегралу от входного сигнала. Так как Iвх = Iс или Uвх / R1= − С1(dUвых / dt), то Uвых= − 1 / R1 С1 ∫ Uвх dt + Uвых0, где Uвых0 − выходное напряжение при t = 0. Если t = 0 и Uвых0 = 0, то тогда Uвых = − 1 / τ ∫ Uвх dt, где τ = R1 С1 – постоянная времени.
1 / τ определяет масштаб интегрирования, так при R1 = 1Мом и С1 = 0,1 мкФ τ = 0,1 с-1.
Интеграторы широко распространены в аналоговых решающих и моделирующих устройствах.
Дифференциатор
R1
+
+
+
-
-
-
Out1
V1
V2
V4
C1
R4
R3
Рисунок 2.45 – Дифференциатор
Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ и формула выполняемой операции определяется выражением
Uвых = − R1 С1 (dUвх / dt) = − τ (dUвх / dt).
Мультивибратор
Мультивибратор – это устройство, которое служит для получения прямоугольных импульсов. Мультивибратор на ОУ (рисунок 2.46) относится к самовозбуждающимся генераторам. ОУ работает в импульсном режиме (на нелинейном участке амплитудной характеристики). Он сравнивает два сигнала: по не инвертирующему входу U1 и по инвертирующему входу Uс (напряжение конденсатора С1).
В результате перезарядки конденсатора выходное напряжение скачком изменяется от Uвых max до Uвых min = −Uвых max. При R3 = R4 длительность импульса tи ≈ 1,1 R2 С1, а период импульса T = 2tи ≈ 2,2 R2 С1. Изменяя величины R3 и R4, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.
+
+
-
-
Out
R3
V1
U1
Uc
C1
in
V2
R2
R4
Рисунок 2.46 - Мультивибратор