Вопрос 1.4. Не инвертирующий усилитель

В не инвертирующем усилителе входной сиг­нал поступает на не инвертирующий вход. А инвертирующий вход — с помощью резистивного делителя -R₁, Roc- охвачен последовательной ООС по напряже­нию (рис. 1.3а). В схеме

U_вых =U₀+U_ос,. поскольку U_o = 0, то U_вх=U_ос+U_выхR₁/(R₁+R_ос).

Отсюда коэффициент усиления не инвертирующего усилителя равен:

(1.9)

С помощью несложных математических выкладок можно показать, что входное сопротивление не инвертирующего усилителя велико и равно вход­ному сопротивлению ОУ по не инвертирующему входу, а выходное сопротив­ление близко к нулю.

Если сопротивление обратной связи R_оc = 0, то U_яых = U_вх, и не инверти­рующий усилитель превращается в повторитель напряжения, который часто используют в радиоэлектронных устройствах для гальванической развязки различных схем (по постоянному току).

Рис.1.3. Не инвертирующие схемы на ОУ:

а – усилителя; б –сумматора

Вопрос 1.5. Не инвертирующий сумматор

Не инвертирующее включение операционного усилителя можно использовать для суммирования n (здесь n — число входных сигналов) входных напряжений. Схема трех входного не инвертирующего сумматора представлена на рис.1.3б. Как правило, все входные напряжения источников подключены к не инвертирующему входу ОУ через резисторы R с одинаковым сопротивлением. Можно показать, что выходное напряжение n-входного сумматора при выборе со­противлений

R_ос=R(n-1) определяется по формуле: (1.10)

Таким образом, выходное напряжение не инвертирующего сумматора рав­но алгебраической сумме входных напряжений. Отметим, что с целью по­лучения минимальных погрешностей при суммировании напряжений необхо­димо выбирать источники входных сигналов с достаточно малыми выходны­ми сопротивлениями.

Рис. 1.4. Устройства на ОУ:

а – дифференцирующее; б – интегрирующее

Вопрос 1.6. Дифференцирующий усилитель

Для схемы дифференцирующего устрой­ства (см. рис.1.4а) токи (здесь и далее аргумент времени t у функций мгновенных значений токов и напряжений для упрощения опущен) i_с = i₀+ i_R и поскольку i₀=0, то i_c = i_R. Записав токи, протекающие через конденсатор и резистор, как i_c=Cdu_вых/dt и i_R=-u_вых/R, получим для выходного напряжения

(1.11)

где _a=RC – постоянная времени цепи.

Таким образом, схема рис. 1.4а производит дифференцирование входного сигнала. Дифференцирующее устройство широко применяется в импульсных устройствах радиоэлектроники.

Вопрос 1.7. Интегрирующий усилитель (интегратор)

Поскольку в схеме рис. 1.4б i₀ = 0, находим i_R = u_вх /R,

i_C = - Cdu_вых / dt. Приравняв эти токи и интегрируя, получим:

(1.12)

т. е. данное устройство осуществляет интегрирование входного сигнала.

На основе интеграторов выполняют генераторы линейно изменяющегося на­пряжения, используемые в различных радиоэлектронных устройст­вах, например, в качестве генераторов разверток осциллографов, телевизоров и пр.

Вопрос 1.8. Импульсные усилители

Усиление импульсных сигналов осуществляют с помощью импульсных (широкополосных) усилителей. При их разработке важными характеристиками усилителей является величина искажений формы входного прямоугольного импульса (рис. 1.5).

Допустимые искажения формы импульса характеризуются максимально возможными длительностями переднего фронта τ_ф и среза τ_с, измеренными на уровне от 0,1 до 0,9 U_вых, а также максимально допустимым спадом пло­ской вершины ΔU выходного импульса (рис.1.5б).

Рис. 1.5. Импульсный усилитель

а – б – форма импульсов на входе и выходе усилителя;

в – схема с коррекцией на быстродействующем ОУ

Вершину импульса (медленное изменение напряжения) оп­ределяет низкочастотная часть, а его передний и задний фронты (быстрое изменение напряжения) — высокочастотная часть спектра сигнала. Следова­тельно, для неискаженной передачи импульсов прямоугольной формы верх­няя граничная частота полосы пропускания усилителя f_B должна стремиться к бесконечности, а нижняя - f_Н — к нулю. Обычно требуемая полоса пропускания импульсных усилителей достигается введением в схему ОУ внешних цепей низкочастотной и высокочастотной коррекции, состоящих из резисторов, емкостей и индуктивностей.

Большинство импульсных усилителей в настоящее время выполняют на основе ОУ. Разделительные конденсаторы в схемах используются лишь для связи с источником входного сигнала, поэтому нижняя граничная частота усиления импульсного усилителя близка к нулю. Увеличение верхней гра­ничной частоты достигается технологическими методами, обеспечивающими получение высокочастотных интегральных транзисторов и малых паразитных емкостей внутри каскадов усилителя.

Высокочастотная коррекция осуществляется включением в цепь питания ОУ небольших по значениям индуктивности L и конденсатора С, образующими вместе с емкостью нагрузки С_н усилителя параллельный колебательный контур. В результате емкостной характер сопротивления нагрузки компенси­руется индуктивным характером сопротивления цепи питания.

Физическая сущность высокочастотной коррекции заключается во влия­нии индуктивности L (ее величина — от единиц до сотен мкГ) на скорость изменения тока нагрузки усилителя. В моменты усиления фронтов импульсов емкость нагрузки С_н заряжается или разряжается токами большей величины, чем в отсутствие корректирующей индуктивности L. При этом напряжение на емкости C_н (а значит, и на нагрузке R_н) изменяется более резко, а следова­тельно, уменьшается длительность фронтов импульса, что приводит к увеличе­нию верхней граничной частоты.

Низкочастотная коррекция предполагает изменение, с помощью шунтирую­щих RС-цепей, сопротивления между соответствующими точками схемы широ­кополосного усилителя на высоких частотах. Как правило, такая коррекция осуществляется либо изменением передаточной характеристики одного из эле­ментарных каскадов, либо изменением характера входного импеданса ОУ. В любом случае при такой коррекции изменяется АЧХ усилительного каскада.

На рис.1.5в представлена принципиальная схема им­пульсного усилителя на быстродействующем ОУ, в которой для высокочастот­ной коррекции используются навесные элементы L, С₁, С₂. Возможно включе­ние и цепей низкочастотной коррекции.