Раздел 3. Операционные усилители (стр. 2 )

Для приближенной оценки напряжения смещения можно использовать следующий простой метод. Построим усилитель с заданным достаточно высоким коэффициентом усиления, например 1000. При нулевом входном сигнале измерим напряжение дисбаланса на выходе , а затем разделим его на этот коэффициент усиления, при котором проводились эти измерения. В результате мы получим величину напряжения дисбаланса, приведенную к входу . Эта характеристика будет приблизительно равна напряжению смещения. На практике при такой методике мы имеем некоторую погрешность, вызванную действием входных токов ОУ..

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений составляет для данного ОУ не менее 106 дБ. Этот параметр был рассмотрен нами ранее в разделе 2, и фактически равен отношению коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Амплитуду синфазного сигнала можно определить как полусумму амплитуд двух синфазных сигналов, поданных на инвертирующий и неинвертирующий входы О.У. .

Приведенные здесь данные о параметрах О.У. взяты из справочника: «Интегральные схемы. Операционные усилители, том1», Москва, изд. Фирма «физико-математическая литература» в.о. «Наука», 1993г.

При практическом применении О.У. необходимо также обращать внимание на предельно допустимые параметры режимов схемы.

У типа К140УД17 приведены следующие величины:

Напряжение питания не менее В. и не более В.

Входное дифференциальное напряжение не более В.

Входное синфазное напряжение не более В.

Сопротивление нагрузки не менее 2кОм

Поясним последний параметр: если сопротивление нагрузки будет менее 2 кОм, то выходной каскад О.У. будет перегружен, что может привести к недопустимым искажениям и к ухудшению параметров схемы.

Ввиду того, что микросхемы О.У. применяются в сочетании с цепью отрицательной обратной связи (ООС), приведем здесь соотношение для расчета коэффициента усиления схемы, состоящей из усилителя с коэффициентом усиления , и цепи ООС с коэффициентом передачи .

Рис.1.4. Обобщенная схема усилителя, охваченного отрицательной обратной связи.

Рассмотрим соотношения, характеризующую схему рис.1.4.

(1.1)

(1.2)

Из (1.1) и (1.2) получим выражение для коэффициента усиления схемы

 

(1.3)

 

 

Лекция № 2

 

схемы УСИЛЕНИЯ СИГНАЛОВ, построенныЕ

 с применением микросхем операционных

усилителеЙ

 

Для того, чтобы построить усилитель с заданным коэффициентом усиления, необходимо охватить операционный усилитель отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления сигнала. Цепь отрицательной обратной связи передает часть сигнала с выхода операционного усилителя на инвертирующий вход. При этом существует два различных варианта подключения сигнала к входу усилителя. Если сигнал подан на инвертирующий вход, получаем выходной сигнал в противофазе по отношению к входному. Такой усилитель получил название «инвертирующий усилитель». Если сигнал подан на неинвертирующий вход, получаем выходной сигнал в фазе по отношению к входному. Такой усилитель получил название «неинвертирующий усилитель» В зависимости от того, на какой из входов - на инвертирующий или на неинвертирующий поступает входной сигнал, характеристики усилителя будут различными.

2.1 Инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего усилителя изображена на рис.2.1. В этой схеме источник сигнала Uс  подключен к инвертирующему входу, он является источником напряжения и в идеальном случае имеет нулевое внутреннее сопротивление. Обратная связь образована цепью, состоящей из резисторов  и, которые составляют делитель напряжения.

Рис. 2.1. Схема инвертирующего усилителя.

Расчет коэффициента усиления в приближении идеального ОУ.

Идеальным  операционным усилителем принято условно считать такой О.У., у которого коэффициент усиления бесконечно велик , входной ток , разность напряжений между входами .

Тогда, с учетом этих условий можно записать следующие уравнения:

. (2.1)

. (2.2)

. (2.3)

Из уравнений (2.1, 2.2 и 2.3 ) получим:

,

отсюда следует, что коэффициент усиления схемы инвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью можно рассчитать по формуле:

. (2.4)

Из полученного выражения следует, что в приближении идеального операционного усилителя коэффициент усиления схемы не зависит от величины коэффициента усиления микросхемы 0У, а определяется только величинами резисторов в цепи отрицательной обратной связи.

Входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя:

. (2.5)

Это достаточно очевидно, если учесть, что источник сигнала подключен к резистору , а второй конец резистора , подключенный к инвертирующему входу, фактически заземлен, так как .

Следует сделать ряд замечаний о практических критериях выбора резисторов в цепи отрицательной обратной связи. Цепь ООС подключена к выходу ОУ и нагружает его. Обычно операционные усилители допускают подключение к выходу нагрузки, величина сопротивления которой превышает некоторую минимально допустимую величину , порядка  кОм. Конкретные значения  приводятся в справочниках. Как отмечалось выше, для схемы К140УД17 эта величина составляет

2 кОм. Исходя из этого, сопротивление нагрузки и сопротивление резистора обратной связи должны быть, по крайней мере, существенно больше допустимой величины. На практике величину резистора  обычно выбирают в диапазоне от 10 кОм до нескольких сотен кОм.

Уточненное соотношение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя при условии, что величина усиления ОУ не бесконечно велика, а конечна и равна , имеет следующий вид:

(2.6)

Эта формула более точна, чем формула (2.4) , причем формула (2.6) переходит в формулу (2.4), если пренебречь единицей в знаменателе. Это возможно, если выполняется условие , т.е. , где - коэффициент обратной связи в этой схеме.

В качестве упражнения оценим величину относительной ошибки, которую мы совершим при расчете коэффициента усиления по формулам (2.4) и (2.6) при следующих параметрах схемы:

Пусть

По формуле (2.4) можно рассчитать: .