Неинвертирующий операционный усилитель схема

Неинвертирующий операционный усилитель схема

Широкое практическое использование ОУ в аналоговых схемах основывается главным образом на применении в них различного рода внешних ОС, чему способствует большое значение коэффициента усиления К оу , а также высокое входное и малое выходное сопротивление ОУ. Высокие качества параметров современных интегральных ОУ позволяют без внесения заметной погрешности при расчете схем на ОУ принимать К uоу , К I оу и R вх.оу .

Основными схемами на ОУ являются инвертирующий и неинвертирующий усилители, режим работы которых осуществляется в пределах линейного участка передаточной характеристики. Также весьма важны схемы компенсации напряжения сдвига .

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Неинвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.11).

Рис. 1.11

Данная схема позволяет использовать в качестве неинвертирующего усилителя ОУ, схема обладает высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R 1 и R ос .

В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.

Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R ос и поданную на инвертирующий вход.

Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей является высокое полное входное сопротивление ОУ.

Сопротивления R 1 и R ос образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой, так как ток, необходимый для управления усилителем, очень мал ( I см >> 0 ).

Поэтому через R 1 и R ос течет одинаковый ток и напряжение, приложенное к инвертирующему входу, равно:

U вх.инв = U вых R 1 /R 1 +R ос

Так как IR 1 = IR ос , R вх , имеем

IR 1 = UR 1 /R 1 , IR ос = UR ос /R ос , U вх.инв = U вх + U q , поэтому IR 1 = (U вх + U q )/R 1 , IR x = (U вых – (U вх + U q )) / R ос

(U вх + U q ) / R 1 = (U вых – (U вх + U q )) / R ос

Так как U вых = KU q и U q = U вых / K, то если K , U q >>0, можно написать U вх / R 1 = (U вых – U вх ) / R ос

Найдем отсюда коэффициент усиления схемы U вых / U вх , который называют коэффициентом усиления с замкнутой ОС (Kос), или коэффициентом усиления замкнутого усилителя, т.е.

U вх R ос = R 1 U вых – R 1 U вх U вх (R ос + R 1 ) = R 1 U вых (R ос + R 1 ) / R 1 = U вых / U вх = К ос К ос = R ос / R 1 +1 , когда К>>К ос .

Сопротивления R 1 + R ос следует выбирать так, чтобы общий ток нагрузки с учетом этого сопротивления не превышал максимального выходного тока усиления.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.12)

Рис. 1.12

Входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R ос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R 1 на инвертирующий вход ОУ.

Благодаря высокому коэффициенту усиления усилителя без ОС для изменения выходного напряжения усилителя во всем рабочем диапазоне достаточно весьма малого значения Uз (обычно U вых.max и.п. ).

Если на схему подать положительное входное напряжение U вх , то U q станет положительным и выходной потенциал начнет снижаться. Выходное напряжение будет меняться в отрицательном направлении до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе в точке А не станет почти нулевым: U q = U вых / Kоу >> 0.

Таким образом, R 1 и R ос действует как делитель напряжения между U вых и U вх и U вых / U вх = R ос / R 1 .

Точка А называется потенциально заземленной, поскольку потенциал почти равен потенциалу Земли,так как U q >> 0.

Если принять R вх.оу и входной ток ОУ I оу = 0, то

IR 1 = (U вх – U q ) / R 1 и IR 1 = – (U вых – U q ) / R ос , следовательно (U вх – U q ) / R 1 = – (U вых – U q ) / R ос .

Полагая,что U q >> 0 и К , запишем

Uвх/R 1 = U вых /R ос , К ос = U вых /U вх = – R ос /R 1

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего каскада ОУ зависит только от параметров внешней цепи и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Обычно R 1 выбирается так, чтобы не нагружать источник напряжения U вх , а R ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Если выбрать R ос = R 1 , когда К uос = – 1, то схема (рис. 1.12) получит свойства инвертирующего повторителя напряжения(инвертор сигнала).

Поскольку U q 0, входное сопротивление схемы R вх = R 1 , выходное сопротивление усилителя:

R вых = ((R вых оу (1+R ос /R 1 )) / К u,оу

Читайте также:  Нагрузка на балконную плиту в панельном доме

При К u,оу , R вых 0.

Внешняя компенсация сдвига.

Некоторые усилители имеют встроенные регулировочные элементы для устранения сдвига. В усилителях, которые не имеют внутренних средств для устранения нуля U сдв , приходится добавлять внешнюю резисторную цепь для компенсации напряжения сдвига.

В схеме на (рис. 1.13), хотя I см и невелик, но он все же существует и, если даже U сдв равно нулю, I см , протекая через параллельное соединение сопротивлений R 1 и R ос , вызовет появление на выходе напряжения U сдв.вых (I см ), равного I см (R 1 || R ос ).

Поскольку ток смещения неинвертирующего входа I см2 (рис. 1.14) приблизительно равен току смещения, протекающему через инвертирующий вход (I см1 ), то, подключив в цепь неинвертирующего входа сопротивление R к , равное R 1 || R ос , получим напряжение, возникающее на R к , приблизительно равное напряжению смещения по инвертирующему входу от I см1 (R 1 || R ос ).

Рис. 1.13

Рис. 1.14

Для компенсации U сдв , вызванного небалансом U бэ , следует установить делитель, с помощью которого можно было бы компенсировать даже U сдв . max , не изменяя коэффициент передачи цепи обратной связи.

Схема установки нуля напряжения сдвига (потенциометр R п ) показана на (рис. 1.15).

Рис. 1.15

В этой схеме R 3 + R 2 = R к – это условие компенсации напряжения сдвига выхода, вызванного токами смещения. Сопротивление R 4 выбирается так, чтобы параллельное соединение R 3 и R 4 , было примерно равно R 3 . Это означает, что R 3 выбирается малым, а R 4 – большим. Диапазон регулировки напряжения сдвига приблизительно равен ± U R 3 /R 4 , так как R 4 >>R 3 . Потенциометр R п должен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы не нагружать источник питания, но вместе с тем, ток через потенциометр должен быть по крайней мере в 20 – 40 раз больше I см , так как R 3 и R 4 образуют делитель напряжения.

Компенсация U сдв в неинвертирующем усилителе осуществляется аналогично, однако делитель напряжения устанавливается в цепи ОС, так что очень важно, чтобы R 4 было много больше R 3 (рис. 1.16).

Рис. 1.16

Заметим, что R 1 = R 3 + R 5 , и эта сумма используется в выражении для определения коэффициента усиления усилителя с ОС. Сопротивления R п и R 4 выбираются точно так же, как и для инвертирующего усилителя.

ОУ широко применяется в аналоговых устройствах электроники. Функции, реализуемые ОУ с ООС, удобно рассматривать, если представить ОУ в виде идеальной модели, у которой:

  1. Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (R вх > ∞, i + = i – = 0).
  2. Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т.е. операционный усилитель со стороны входа является идеальным источником напряжения (R вых = 0).
  3. Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент напряжения дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).
  4. В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.
  5. Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.
  6. Напряжение смещения нуля равно нулю.

Инвертирующий усилитель на ОУ

Схема инвертирующего усилителя, охваченного параллельной ООС по напряжению показана на рисунках:

ООС реализуется за счет соединения выхода усилителя со входом резистором R2.

На инвертирующем входе ОУ происходит суммирование токов. Поскольку входной ток ОУ i – = 0, то i 1 = i 2 . Так как i 1 = U вх /R1, а i 2 = -U вых /R2, то . K u = = -R2/R1. Знак "-" говорит о том, что происходит инверсия знака входного напряжения.

На рисунке (б) в цепь неинвертирующего входа включен резистор R3 для уменьшения влияния входных токов ОУ, сопротивление которого определяется из выражения:

Входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R вх.ос = ≈ R1

Выходное сопротивление R вых.ос = существенно меньше R вых собственно ОУ.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Схема неинвертирующего усилителя, охваченного последовательной ООС по напряжению, показана на рисунке:

ООС реализуется при помощи резисторов R1, R2.

Используя принятые ранее допущения для идеальной модели получим

Входное сопротивление: R вх.ос → ∞

Выходное сопротивление: R вых.ос = → 0

Недостатком усиления является наличие на входах синфазного сигнала, равного U вх .

Повторитель напряжения на ОУ

Схема повторителя, полученная из схемы неивертирующего усилителя, при R1 → ∞, R2 → 0, показана на рисунке:

Коэффициент β = 1, K u.ос = K/1+K ≈ 1, т.е. напряжение на входе и выходе ОУ равны: U вх = U вых .

Сумматор напряжений на ОУ (инвертирующий сумматор)

Схема инвертирующего усилителя с дополнительными входными цепями показана на рисунке:

Учитывая, что i + = i – = 0, i oc = – U вых /R ос = U вх1 /R1 + U вх2 /R2 + . + U вхn /Rn, получим: U вых = -R ос (U вх1 /R1 + U вх2 /R2 + . + U вхn /Rn)

Если R ос = R1 = R2 = . = Rn, то U вых = – (U вх1 + U вх2 + . + U вхn ).

ОУ работает в линейном режиме.

Для уменьшения влияния входных токов ОУ в цепь неинвертирующего входа включают резистор R э (на рисунке показан пунктиром) с сопротивлением: R э = R1//R2//…//Rn//R oc .

Вычитающий усилитель на ОУ

Схема усилителя с дифференциальным входом показана на рисунке:

Усилитель является сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей. В рассматриваемом случае напряжение на выходе определяется из выражения:

U вых = U вх2 · R3/(R3+R4) · (1+R2/R1) – U вх1 · R2/R1

Читайте также:  Меламиновая смола что это

При R1 = R2 = R3 = R4: U вых = U вх2 – U вх1 – т.е. зависит от разности входных сигналов.

Интегрирующий усилитель на ОУ

Схема интегратора, в которой в цепи ООС установлен конденсатор, показана на рисунке:

Пусть на вход подается прямоугольный импульс U вх . На интервале t1. t2 амплитуда U вх равна U. Так как входной ток ОУ равен нулю, то |i вх | = |-i c |, i вх = U вх /R1, i c = C · dU вых /dt.

U вх /R1 = C · dU вых /dt или

где U вых (0) – напряжение на выходе (конденсаторе С) к моменту начала интегрирования (к моменту t1).

τ = R1 · C – постоянная времени интегрирования, т.е. время, в течение которого U вых изменится на величину ΔU вых = U.

Таким образом выходное напряжение на интервале t1. t2 изменяется по линейному закону и представляет интеграл от входного напряжения. Постоянная времени должна быть такой, чтобы до конца интегрирования U вых пит .

Дифференцирующий усилитель

Поменяв местами R1 и C1 в интеграле, получим схему дифференцирующего усилителя:

По аналогии с интегрирующим усилителем запишем:

I c = C·dU вх /dt, I R2 = -U вых /R

Т.к. |I c | = |-I R2 |, то U вых = – CR · dU вх /dt

τ = CR – постоянная дифференцирования.

Применение ОУ далеко не исчерпывается приведенными выше схемами.

Активные фильтры

В электронике широко применяются устройство для выделения полезного сигнала из ряда входных сигналов с одного одновремённым ослаблением мешающих сигналов за счёт использования фильтров.

Фильтры подразделяются не пассивные, выполненные на основе конденсаторов, индуктивностей и резисторов, и активные на базе транзисторов и операционных усилителей.

В информационной электронике обычно используются активные фильтры. Термин "активный" объясняется включением в схему RLC – фильтра активного элемента (с транзистора или ОУ) для компенсации потерь на пассивных элементах.

Фильтром называют устройство, которое пропускает сигналы в полосе пропускания и задерживает их в остальном диапазоне частот.

По виду АЧХ фильтры подразделяются на фильтры нижних частот (ФНЧ), и на фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры и режекторные фильтры.

Схема простейшего ФНЧ и его АЧХ приведены на рисунке:

В полосе пропускания 0 – f c полезный сигнал проходит через ФНЧ без искажений.

f с – f з – переходная полоса,
f з – ∞ – полоса задерживания,
f с – частота среза,
f з – частота задерживания.

ФВЧ пропускает сигналы верхних частот и задерживает сигналы нижних частот.

Полосовой фильтр пропускает сигналы одной полосы частот, расположенной в некоторой внутренней части оси частот.

Схема фильтра получила название моста Вина. На частоте f 0 =

Мост Вина имеет коэффициент передачи β = 1/3. При R1 = R2 = R и C1 = C2 = C

Режекторный фильтр не пропускает сигналы, лежащие в некоторой полосе частот, и пропускает сигналы с другими частотами.

Схема фильтра называется несимметричным двойным Т-образным мостом.

, где R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C.

В качестве примера рассмотрим двухполюсный (по числу конденсаторов) активный ФНЧ.

ОУ работает в линейном режиме. При расчёте задаются f с . Коэффициент усиления в полосе пропускания должен удовлетворять условию: К 0 ≤ 3.

Если принять С1 = С2 = С, R1 = R2 = R, то C = 10/f c , где f с – в Гц, С – в мкФ,

Для получения более быстрого изменения коэффициента усиления на удаление от полосы пропускания последовательно включают подобные схемы.

Поменяв местами резисторы R1, R2 и конденсаторы С1, С2, получим ФВЧ.

Избирательные усилители

Избирательные усилители позволяют усиливать сигналы в ограниченном диапазоне частот, выделяя полезные сигналы и ослабляя все остальные. Это достигается применением специальных фильтров в цепи обратной связи усилителя. Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи отрицательной обратной связи показана на рисунке:

Коэффициент передачи фильтра (кривая 3) уменьшается от 0 до 1. АЧХ усилителя иллюстрируется кривой 1. На квазирезонансной частоте коэффициент передачи фильтра в цепи отрицательной обратной связи равен нулю, U вых максимально. При частотах слева и справа от f 0 коэффициент передачи фильтра стремится единице и U вых = U вх . Таким образом фильтр выделяет полосу пропускания Δf, а усилитель осуществляет операцию аналогового усиления.

Генераторы гармонических колебаний

В системах управления используются генераторы сигналов различного вида. Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение.

Структурная схема такого генератора показана на рисунке:

Входной сигнал отсутствует. U вых = К · U ос .

Для возникновения синусоидальных колебаний должно выполняться условие самовозбуждения только для одной частоты:
К · γ = 1 – баланс амплитуд,
φ + ψ = 2πn – баланс фаз,
где К – коэффициент усиления усилителя,
γ – коэффициент передачи звена положительной обратной связи,
φ – сдвиг по фазе для усилителя,
ψ – сдвиг по фазе для цепи обратной связи,
n = 0, 1, .

Основной генераторов синусоидальных сигналов являются фильтры, например мост Вина. Генератор на основе ОУ, содержащий мост Вина, представлен на рисунке:

Генератор вырабатывает синусоидальный сигнал частотой .

На частоте f 0 коэффициент передачи фильтра β = 1/3. Усилитель должен иметь коэффициент усиления К ≥ 3, который задаётся резисторами R1 и R2. Важной проблемой является стабилизация амплитуды U вых , которая обеспечивается в ведением резистора R3 и стабилитронов VD1 и VD2. При малых U вых напряжение на VD1 и VD2 меньше напряжения стабилизации и R3 не зашунтировано стабилитронами. При этом К > 3 и U вых возрастает. При достижении напряжения на стабилитронах, равного напряжения стабилизации, тот или иной стабилитрон открывается и пара стабилитронов шунтирует сопротивление R3. Коэффициент усиления становится равным и напряжение U вых начинает уменьшатся, коэффициент усиления снова становится больше 3 и U вых снова будет уменьшатся, но уже и в противоположном направлении. Таким образом стабилитроны предотвращают насыщение.

Читайте также:  Крыша гаража из плит перекрытия

При использовании данного генератора нагрузку желательно подключать через буферный каскад.

Схема неинвертирующего усилителя

Неинвертирующий усилитель является базовой схемой с ОУ. Выглядит он до боли просто:

В этой схеме сигнал подается на НЕинвертирующий вход ОУ.

Итак, для того, чтобы понять принцип работы этой схемы, запомните самое важное правило, которое используется для анализа схем с ОУ: выходное напряжение ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжения между его входами была равна нулю.

Принцип работы

Итак, давайте инвертирующий вход обозначим, буквой A:

Следуя главному правилу ОУ, получаем, что напряжение на инвертирующем входе равняется входному напряжению: UA=Uвх . UA снимается с делителя напряжения, который образован резисторами R1 и R2. Следовательно:

Коэффициент усиления по напряжению высчитывается как KU = Uвых /Uвх.

Подставляем сюда ранее полученные значения и получаем, что KU = 1+R2/R1.

Проверка работы в Proteus

Это также можно легко проверить с помощью программы Proteus. Схема будет выглядеть вот так:

Давайте рассчитаем коэффициент усиления KU. KU = 1+R2/R1=1+90к/10к=10. Значит, наш усилитель должен ровно в 10 раз увеличивать входной сигнал. Давайте проверим, так ли это. Подаем на неинвертирующий вход синусоиду с частотой в 1кГц и смотрим, что имеем на выходе. Для этого нам потребуется виртуальный осциллограф:

Входной сигнал – это желтая осциллограмма, а выходной сигнал – это розовая осциллограмма:

Как вы видите, входной сигнал усилился ровно в 10 раз. Фаза выходного сигнала осталась такой же. Поэтому такой усилитель называют НЕинвертирующим.

Но, как говорится, есть одно “НО”. На самом же деле в реальном ОУ имеются конструктивные недостатки. Так как Proteus старается эмулировать компоненты, приближенные к реальным, давайте рассмотрим амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), а также фазо-частотную характеристику (ФЧХ) нашего операционника LM358.

АЧХ и ФЧХ неинвертирующего усилителя на LM358

На практике, для того, чтобы снять АЧХ, нам надо на вход нашего усилителя подать частоту от 0 Герц и до какого-то конечного значения, а на выходе в это время следить за изменением амплитуды сигнала. В Proteus все это делается с помощью функции Frequency Responce:

По оси Y у нас коэффициент усиления, а по оси Х – частота. Как вы могли заметить, коэффициент усиления почти не изменялся до частоты 10 кГц, потом стал стремительно падать с ростом частоты. На частоте в 1МегаГерц коэффициент усиления был равен единице. Этот параметр в ОУ называется частотой единичного усиления и обозначается как f1. То есть по сути на этой частоте усилитель не усиливает сигнал. Что подали на вход, то и вышло на выходе.

В проектировании усилителей важен такой параметр, как граничная частота среза fгр . Для того, чтобы ее вычислить, нам надо знать коэффициент усиления на частоте Kгр:

Kгр= KUo / √2 либо = KUo х 0,707 , где KUo – это коэффициент усиления на частоте в 0 Герц (постоянный ток).

Если смотреть на АЧХ, мы увидим, что на нулевой частоте (на постоянном токе) у нас коэффициент усиления равен 10. Вычисляем Kгр.

Теперь проводим горизонтальную линию на уровне 7,07 и смотрим пересечение с графиком. У меня получилось около 104 кГц. Строить усилитель с частотой среза, более, чем fгр не имеет смысла, так как в этом случае выходной сигнал усилителя будет сильно затухать.

Также очень просто определить граничную частоту, если построить график в децибелах. Граничная частота будет находиться на уровне KUo-3dB. То есть в нашем случае на уровне в 17dB. Как вы видите, в этом случае мы также получили частоту среза в 104 кГц.

Ну ладно, с частотой среза вроде бы разобрались. Теперь нам важен такой параметр, как ФЧХ. В нашем случае мы вроде бы как получили НЕинвертирующий усилитель. То есть сдвиг фаз между входным и выходным сигналом должен быть равен нулю. Но как поведет себя усилитель на высоких частотах (ВЧ)?

Берем такой же диапазон частот от 0 и до 100 МГц и смотрим на ФЧХ:

Как вы видите, до частоты в 1 кГц неинвертирующий усилитель действительно работает как надо. То есть входной и выходной сигнал двигаются синфазно. Но после частоты в 1 кГц, мы видим, что фаза выходного сигнала начинает отставать. На частоте в 100 кГц она уже отстает примерно на 40 градусов.

Для наглядности АЧХ и ФЧХ можно разместить на одном графике:

Также в схемах с неинвертирующим усилителем часто вводят компенсирующий резистор RK .

Он определяется по формуле:

и служит для того, чтобы обеспечить равенство сопротивлений между каждым из входов и землей. Более подробно мы это разберем в следующей статье.

Оценить статью
Добавить комментарий
Adblock
detector