Типовые схемы включения операционных усилителей

 

 

График см. Рисунок 2.

 

Усиление переменного напряжения

 

Рисунок 6

U_вх = 3 В

R₁ = R₂ = 10 кОм

ƒ , кГц	1	2	4	8	16	20	32
Uвых, В	2.05	2.06	2.08	2.06	1.80	1.50	0.95
	2.90	2.91	2.94	2.91	2.54	2.12	1.34
К	0.97	0.97	0.98	0.97	0.85	0.71	0.45

 

Из графика видно, что верхняя граница частотного диапазона равна 20 кГц.

Определено по 0.707 ( ).

 

Рисунок 7

Амплитудно-частотная  характеристика (АЧХ) показывает, каким  образом коэффициент усиления ОУ зависит от частоты. Поскольку ОУ является многокаскадным электронным усилителем, его коэффициент усиления зависит от частоты входного сигнала. В общем случае АЧХ представляет собой ломаную линию, имеющую точки излома, соответствующие частотам   

Для большинства ОУ первая точка излома АЧХ соответствует очень небольшой частоте  Гц по сравнению с   МГц и другими значениями  .

На рисунке 8 (линия 1) показана логарифмическая АЧХ ОУ  без цепи обратной связи (диаграмма Боде). На АЧХ можно выделить несколько участков с характерными частотами. Частота единичного усиления   – частота, при которой коэффициент усиления ОУ уменьшается до 1.

Значения коэффициента усиления ОУ соответствуют разомкнутой цепи обратной связи ( ), линия 1 характеризует усилительные свойства самого ОУ. Из рисунка следует, что при разомкнутой цепи обратной связи  коэффициент усиления   остается неизменным до некоторой частоты  , а затем плавно уменьшается, при частоте   он становится равным 1.

При  (первая точка излома) коэффициент усиления уменьшается  на 3 дБ от начального значения  , что определяет ширину полосы пропускания  . Точку, в которой начинается спад АЧХ, называют полюсом. Показанная на рисунке 8, АЧХ является однополюсной. Начиная с полюса  , усиление при разомкнутой цепи обратной связи спадает со скоростью 6 дБ/октава или 20 дБ/декада. Это означает, что усиление падает на 6 дБ всякий раз, когда частота удваивается. Соответственно усиление уменьшается на 20 дБ при увеличении частоты в 10 раз.

Рисунок 8

При включении цепи обратной связи  и соответствующем подборе параметров резисторов   и   можно получить любое усиление при замкнутой цепи ОС, но меньше, чем усиление   при разомкнутой ОС. Если коэффициент усиления ОУ   на нулевой частоте достаточно высок, то коэффициент усиления с обратной связью на нулевой частоте    для неинвертирующего усилителя можно выразить в виде

 

Например, если надо получить усиление   по напряжению 40 дБ    (т. е. в 100 раз), то сопротивление резистора   должно быть в 100 раз больше сопротивления . Тогда частотная характеристика (линия 2) останется плоской до частоты среза ОУ, охваченного обратной связью Гц. После чего начнет спадать со скоростью 6 дБ/октава и достигнет единичного усиления на частоте 10⁶ Гц.

Частота среза   связана с частотой единичного усиления    и коэффициентом усиления  соотношением

 

Полосой пропускания по уровню 3 дБ или просто полосой пропускания усилителя называют диапазон частот, где коэффициент усиления остается на уровне 3 дБ от максимального значения. Диапазон частот, где коэффициент усиления отличается от максимального значения не более чем на 3 дБ находится в пределах от нулевой частоты до частоты среза. Следовательно, ширина полосы пропускания ОУ с обратной связью равна частоте среза с обратной связью, т. е.  . Из рисунка 8  следует, что переход от схемы включения ОУ без обратной связи к схеме с обратной связью сопровождается уменьшением коэффициента усиления при соответствующем расширении полосы пропускания. Причем, во сколько раз уменьшается коэффициент усиления за счет введения обратной связи, во столько же раз расширяется полоса пропускания.

 

 

Сложение двух сигналов на основе инвертирующей схемы включения ОУ

 

Рисунок 9

U1 = 200 мВ	ƒ1 = 8 кГц
U2 = 4 В	ƒ2 = 1 кГц

R₁₃ = 56 кОм

R₁₄ = 5.1 кОм

R₄ = 10 кОм

 

Изображение сложения двух входящих синусоидальных напряжений:

Рисунок 10

 

 

Интегратор

 

Рисунок 11

Интегрирует (инвертированный) входной сигнал по времени.

Данный четырехполюсник можно  также рассматривать как фильтр нижних частот.

 

Некоторые потенциальные проблемы:

Обычно предполагается, что у  входного напряжения   отсутствует постоянная компонента (т.е. усреднение   по времени даёт ноль). В противном случае выходное напряжение будет дрейфовать, со временем выходя за пределы рабочего диапазона напряжений, если конденсатор не подвергать периодической разрядке.

Даже если   не смещено, токи смещения и утечки на входах операционного усилителя могут создать нежелательную постоянную добавку к   и, таким образом, привести к дрейфу выходного напряжения. Дрейф можно уменьшить путём балансировки входных токов и введением резистора сопротивлением R в цепь заземления неинвертирующего входа.

Поскольку в этой схеме отсутствует  обратная связь по постоянному току (конденсатор не пропускает ток с  нулевой частотой), смещение выхода может оказаться любым, т.е. конструктор не может управлять напряжением  .

 

Эти проблемы можно частично решить введением резистора с большим  сопротивлением R_F, шунтирующего конденсатор. На достаточно высоких частотах f >> 1/R_FC влияние этого сопротивления пренебрежимо мало; при этом на низких частотах, где существенны проблемы ненулевого смещения и дрейфа, резистор обеспечивает необходимую обратную связь по постоянному току. Он снижает усиление интегратора по постоянному току от, формально говоря, бесконечности до конечного значения R_F/R.

 

 

 

 

Подадим синусоидальный сигнал

Рисунок 12

Подадим прямоугольный сигнал

Рисунок 13

Подадим треугольный сигнал

Рисунок 14

 

 

 

Вывод

 

Способность усиливать как медленно меняющиеся, так и высокочастотные  сигналы и высокий запас коэффициента усиления, позволяющий вводить глубокие обратные связи, предоставляют возможность  широкого применения операционных усилителей во включениях, обеспечивающих выполнение различные функции.