Материал: Схемотехника аналоговых электронных устройств. Воробьева Е.И

обеспечению условий, при которых входной ток ОУ был бы значительно меньше токов, обусловленных сигналом.

4.2.5. Дифференциа́льный усили́тель

Дифференциа́льный усили́тель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Рис. 4.2.7. Дифференциа́льный усили́тель

Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада.

Схема дифференциального усилителя на базе электронного моста с n-p-n биполярными транзисторами

Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня заземления), а разность напряжений между двумя точками. Характерным примером является резистивный датчик тока, включенный последовательно с исследуемой цепью.

Следует использовать дифференциальные усилители всегда, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Например, при измерении электрических потенциалов, снимаемых с определённых точек живого организма: при снятии электрокардиограммы, электроэнцефалографии и подобных методах исследования.

4.2.6. Суммирующие схемы. Инвертирующий сумматор

К суммирующим схемам относятся сумматоры и схемы вычитания. Их можно использовать для решения алгебраических уравнений, а также для формирования пропорционального закона в системах регулирования.

Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму двух напряжений и меняет знак на обратный.

Рис. 4.2.8. Схема алгебраического сумматора на два входа

Если Rвх ОУ достаточно велико и ток смещения пренебрежительно мал по сравнению с током обратной связи (ОС), то по закону Кирхгофа :

I1+ I2= Iос (4.2.20)

Если коэффициент усиления без ОС также достаточно велик, так что Uд= 0, то

; ; ;

R1= R2= Rос= R, (4.2.21)

тогда

,

U1+ U2= - Uвых или Uвых= -( U1+ U2). (4.2.22)

Для n- входов

Uвых = - ( U1+ U2+ ... + Un) , (4.2.23)

где n- число входов.

Суммирующие схемы могут работать как при постоянных, так и при переменных напряжениях.

Суммирующая схема с масштабными коэффициентами.

Если отдельным входным напряжениям надо принять различные веса, то используется схема суммирования с масштабными коэффициентами.

Если ток смещения усилителя пренебрежительно мал, то согласно закону Кирхгофа

I1+ I2+ I3= Iос (4.2.24)

Рис. 4.2.9. Суммирующая схема с масштабными коэффициентами

Если коэффициент усиления без ОС достаточно велик, так как Uд= 0, получим

; ; и , (4.2.25)

откуда

(4.2.26)

Решая это уравнение относительно Uвых получим

. (4.2.27)

Для n-входов

(4.2.28)

Если в последней схеме положить

R1=R2=R3= ... =Rnи Rос = (4.2.29)

где n-число входов схемы, получим

. (4.2.30)

Такая схема окажется схемой усреднения.

Схема на два входа:

Рис. 4.2.12. Схема сложения-вычитания

Эта схема представляет собой обобщение схемы усилителя с дифференциальным входом. Общее выражение для выходного напряжения схемы сложения вычитания очень громоздкое, рассмотрим условия необходимые для правильной работы этой схемы.

Эти условия сводятся к тому, чтобы сумма коэффициентов усиления инвертирующей части схемы была равна сумме коэффициентов усиления ее неинвертирующей части. То есть инвертирующий и неинвертирующий коэффициенты усиления должны быть сбалансированы.

Символически это можно oбозначить следующим образом:

(4.2.31)

где m - число инвертирующих входов, n - число неинвертирующих входов.

О тсюда имеем

(4.2.32)

4.2.7. Неинвертирующий сумматор

Схема на два входа:

Рис. 4.2.11

В данной схеме Uвых= U1+ U2, если

; ;

и Rос' = R1' = R2', (4.2.33)

Можно также осуществить суммирование с весами, при этом обязательно соблюдение условия

(4.2.34)

4.2.8. Интегратор

Интегратор — Устройство предназначено для выполнения математической операции интегрирования. В интеграторе скорость изменения выходного напряжения пропорциональна изменению входного напряжения, и обратно-пропорциональна постоянной времени T = RC. Интегратор представляет собой конденсатор (напряжение на котором пропорционально интегралу по времени от тока, протекающего через него), включенный в цепь обратной связи операционного усилителя. Напряжение на выходе операционного усилителя выражается формулой:

(4.2.35)

где Uout — напряжение на выходе, Uin — напряжение на входе.

Интегратор на пассивных элементах (RC-цепь) является лишь приближённым: напряжение на выходе примерно пропорционально интегралу от входного лишь для времён, много меньших постоянной времени T = RC. Интегратор на операционном усилителе можно считать точным в силу очень большого коэффициента усиления (сотни тысяч) и очень малых входных токов (доли наноампера). При этом выходное напряжение оказывается практически равным минус напряжению на конденсаторе, ток через конденсатор - практически равным току через резистор и напряжение на резисторе - практически равным входному.

Рис. 4.2.12. Интегратор

4.2.9. Дифференциатор

Зависимость между входной и выходной величиной можно представить в виде формулы: