Материал: Операційні підсилювачі
Інвертуючий підсилювач
Інвертуючий підсилювач (необхідно розрізняти поняття «операційний підсилювач» і «підсилювач, виконаний на операційному підсилювачі»), схему якого зображено на рис. 1.9, змінює знак вихідного сигналу відносно вхідного. Він створюється введенням паралельного НЗЗ за допомогою резистора RЗЗ на інвертуючий вхід ОП -- на цей вхід подається частина вихідного сигналу з дільника RЗЗ, R1.
Рис. 1.9 Інвертуючий підсилювач на ОП
Неінвертуючий вхід з'єднується із спільною точкою схеми (точкою з нульовим потенціалом). Вхідний сигнал через резистор R1 подається на інвертуючий вхід ОП. Кола живлення і ланцюги корекції тут і надалі не показано.
Виходячи з наведеного вище, а саме: вважаючи ОП за ідеальний, при аналізі схем з ОП слід виходити з таких положень:
коефіцієнт підсилення ОП нескінченний;
входи ОП струму не споживають (RВХ ОП = );
у вихідних колах ОП падіння напруги відсутнє (RВИХ ОП = );
якщо ОП охоплено НЗЗ і він працює у лінійному режимі (в режимі підсилення, а не насичення), різниця потенціалів між його входами UВХОП=U0=0.
Доведемо останнє положення.
Якщо KUОП > , то UВХ ОП > .
Реально UВХ ОП = U0 не дорівнює. Але це настільки незначна величина, що для більшості схем на ОП нею можна знехтувати.
Дійсно, якщо, наприклад, UВИХ ОП = l0 В (це майже відповідає насиченню), а КUОП = 100000, то U0 = 100 мкВ!
Оскільки на неінвертуючий вхід подана напруга UH = 0 (він з'єднаний з нульовою точкою), a U0 = 0, то і потенціал інвертуючого входу також дорівнює нулю (віртуальний нуль). У результаті джерелом вхідного сигналу пристрій сприймається як R1 -- вхідний опір підсилювача дорівнює величині опору резистора R1.
За першим законом Кірхгофа для вузла а маємо:
І1 = ІЗЗ. (1.4)
Тобто
(1.5)
ОП, забезпечуючи рівність U0 = 0, створює на виході таку напругу, щоб відвести струм І1 через резистор RЗЗ.
Тоді
(1.6)
Отже, КUЗЗ залежить лише від співвідношення опорів резисторів дільника НЗЗ. Знак «-» вказує на інверсію вхідного сигналу. Вхідний опір схеми дорівнює величині R1.
Якщо
RЗЗ > R1,
то
-- маємо інвертуючий масштабний підсилювач (з масштабним коефіцієнтом
KUЗЗ = - RЗЗ/R1
При RЗЗ = R1, КUЗЗ = -1 -- схема набуває властивостей інвертуючого повторювана вхідної напруги (інвертор сигналу).
Неінвертуючий підсилювач
Неінвертуючий підсилювач, схема якого зображена на рис. 1.10 можна отримати, якщо ввести послідовний НЗЗ за напругою на інвертуючий вхід, а вхідний сигнал подати на неінвертуючий вхід ОП.
Тут UH = UВХ, а вхідний струм ІВХ = 0, бо RВХ ОП = .
Оскільки U0 = 0, то
UR1 = UВХ,
UВХ/R1 = ІЗЗ.
З іншого боку
.
Отже,
Звідки
(1.7)
Тоді коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача
(1.8)
Рис. 1.10 Неінвертуючий підсилювач
Якщо RЗЗ = 0, а R1 > одержимо неінвертуючий повторювач, схему якого зображено на рис. 1.11.
Рис. 1.11 Повторювач напруги на ОП
Неінвертуючий та інвертуючий підсилювачі широко використовуються як високостабільні підсилювачі різного призначення. Причому, неінвертуючий має великий вхідний опір (теоретично -- нескінченний) і використовується для підсилення сигналів джерел із високим вихідним опором.
Перетворювач струму у напругу
Схема перетворювача струму у напругу, зображена на рис. 1.12 є варіантом схеми рис. 1.10 за умови, що R = 0.
При цьому
(1.9)
Звідки
(1.10)
Малі значення вхідного та вихідного опорів зазначеної схеми є її важливою перевагою при використанні як перетворювача струму джерела вхідного сигналу у напругу.
Рис. 1.12 Перетворювач струму у напругу
Інвертуючий суматор
Схема інвертуючого суматора зображена на рис. 1.13. Він виконаний за типом інвертуючого підсилювача (рис. 1.9) з кількістю паралельних гілок на вході, що дорівнює числу сигналів. Якщо опори всіх резисторів схеми однакові
RЗЗ = R1 = R2 = … = Rn << RВХ ОП
то при ІВХ ОП = 0 маємо
ІЗЗ = І1 + І2 + … + Іn (1.11)
Або
UВИХ = -(U1 + U2 + Un) (1.12)
Рис. 1.13 Інвертуючий суматор
Останнє співвідношення відбиває рівноправну вагову участь доданків у їх сумі. Підсумовування може виконуватись також з різними ваговими коефіцієнтами для кожного з доданків.
Досягається це використанням різних значень опорів резисторів у вхідних гілках.
операційний інвертуючий підсилювач
Тим, що точка з'єднання резисторів має нульовий потенціал («віртуальний нуль»), виключається взаємний вплив джерел вхідних напруг
Неінвертуючий суматор
Неінвертуючий суматор можна отримати шляхом послідовного з'єднання суматора (рис. 1.12) та інвертора (рис. 1.13). Але на основі неінвертуючого підсилювача (рис. 1.10) його можна створити значно простіше - як це показано на рис.
Рис. 1.14 Неінвертуючий суматор
При U0 = 0 напруга на обидвох входах ОП однакова і складає
(1.14)
Оскільки струм неінвертуючого входу дорівнює нулю (тому що RВХОП > ) маємо:
(1.15)
Або
(1.16)
звідки
(1.17)
Задамо
і тоді
(1.18)
Але взаємний вплив джерел вхідних напруг тут не виключається, як це було у інвертуючого підсилювача. Тому джерела повинні мати якомога менші опори, або їх треба враховувати при розрахунку.
Інтегруючий підсилювач (інтегратор)
Схема інтегратора зображена на рис. 1.15. Вона створюється заміною в схемі інвертуючого підсилювача (рис. 1.10) резистора зворотного зв'язку RЗЗ конденсатором С. Оскільки RВХ ОП = , то маємо:
Або
(1.19)
Як правило, при t = 0 UС = UВИХ 0, тому
(1.20)
RC = ф
-- стала часу. Реальному масштабу часу відповідає ф = 1 с. При подачі на вхід постійної за значенням напруги, струм, що заряджає конденсатор, має постійне значення UВХ/R (не залежить від ступеня заряду конденсатора) і конденсатор заряджається рівномірно, а вихідна напруга зростає лінійно
(1.21)
Рис. 1.15 Інтегратор
Тому інтегратор часто застосовують як основу генераторів лінійних напруг.
На рис. 1.16 зображені часові діаграми роботи інтегратора при подачі на його вхід постійної напруги.
Рис. 1.16 Часові діаграми роботи інтегратора
При ф2 -- параметри вибрані неправильно, бо не забезпечується виконання інтегрування за весь час дії вхідного сигналу (ОП входить у режим насичення).
Диференціюючий підсилювач (диференціатор)
Схема диференціатора наведена на рис. 1.17. Від схеми інтегратора (рис. 1.15) вона відрізняється заміною місцями резистора і конденсатора. Тут
(1.22)
Рис. 1.17 Диференціатор
Сталу часу ф необхідно вибирати так, щоб у процесі диференціювання дотримувалась нерівність UВИХ < UВИХ m.