 |
Усилители электрических сигналов на ОУ.
|
|
|
|
Инвертирующий усилитель (рис. 2.46), изменяющий знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора Roc параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связывается с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ.
Показатели схемы можно определить, воспользовавшись уравнением токов для узла 1. Если принять Rвхоу = ∞ и входной ток ОУ Iоу = 0, то Iвх = Iос откуда:
При КUОУ → ∞ напряжение на входе ОУ U0 = Uвых/Kuоу → 0 в связи, с чем выражение (2-138) принимает вид Uвх/R1 = −Uвых/Rоc (2.139)
Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилнтсли с параллельной обратной связью КUi =Uвых/Uвx определяется параметрами только пассивной части схемы: Кuи = −Roc/R1 (2.140)
Выбор Roc = R1 придает Кuи = −1 схеме рис. 2.46 свойство инвертирующего повторителя напряжения (инвертора сигнала). Поскольку U0 >0, входное сопротивление схемы RBX =R1. Выходное сопротивление усилителя при КUОУ → ∞ близко к нулю.
Выведем уравнение для инвертирующего усилителя с ограниченным коэффициентом усиления.
(Uвх – U0)/R1 = –(Uвых – U0)/Roc. Так как Uвых = –AU0, то U0 = –Uвых/А.
Uвх/R1 + Uвых/AR1 – Uвых/Roc + Uвых/ARoc = 0, откуда Uвх/R1 = –Uвых(1/AR1 + 1/Roc + 1/ARoc).
Умножая обе части последнего уравнения на А, R1, ROC, получим UвхARoc = –Uвых(Roc + AR1 + R1)
Следовательно, Koc = Uвых/Uвх = –ARoc/(Roc + AR1 + R1). Разделим числитель и знаменатель полученного выражения для КОС на R1 + Roc
и умножим второй член знаменателя на Roc / Roc:
Введём эффективный коэффициент усиления инвертора Аэфф = ARoc/(Roc + R1)
Тогда выражение для коэффициента усиления инвертора с обратной связью имеет вид:
|
|
|
Koc = −Aэфф/(1 + Аэффβ)
где β = R1/ Roc, Аэфф = ARoc/(Roc + R1)
Неинвертирующий усилитель (рис. 2.47) содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, поданную по инвертирующему входу; входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.
В силу равенства нулю напряжения между входами ОУ (U0 = 0) входное напряжение схемы связано с выходным напряжением соотношением
Uвх = Uвых(R1/(R1 + Roc))
откуда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя
Kuн = 1 + Roc/R1 (2.142)
При Roc = 0 и R1 = ∞приходим к схеме повторителя с КU =1.
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя Rвх равное входному сопротивлению ОУ по неинвертирующему входу, велико; выходное сопротивление Rвых→0. Его находят из соотношения (2-141).Неинвертирующий и инвертирующий усилители широко используют в качестве высокостабильных усилителей различного назначения.
Используя общее выражение для коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью, определим, как на величину этого коэффициента влияют коэффициент обратной связи и коэффициент усиления разомкнутого усилителя. Это необходимо для того, чтобы знать, насколько идеальное значение коэффициента усиления с обратной связью отличается от реального. Из рисунка видно Uвых = AU0, где А – коэффициент усиления усилителя без обратной связи, причём U0 = Uвх – Uoc. Отсюда
Uвых = A(Uвх – Uoc) = AUвх – AUoc, но Uoc = Uвых[R1/(R1 + Roc)]; следовательно,
Uвых = AUвх − AUвыхR1/(R1 + Roc). Отсюда получим AUвх = Uвых[1 + АR1/(R1 + Roc)],
Uвых/Uвх = А/[1 + АR1/(R1 + Roc)]. Общее выражение коэффициента усиления Koc = A/[1 + Aβ], отсюда видно, что β = R1/(R1 + Roc). 1/β – коэффициент усиления идеального усилителя с обратной связью.
16. Разностный усилитель на ОУ. Многокаскадный усилитель на ОУ
Принципиальная схема усилителя с дифференциальным входом приведена на рисунке.
Данный усилитель является базой различных измерительных усилителей и сумматоров. Усилитель с дифференциальным входом даёт возможность измерять и усиливать слабые сигналы на фоне сильных синфазных помех. Анализ усилителя проводят по отдельности для неинвертирующего и инвертирующего входов. Если Rи1□ R1; Rи2 □ R3, R1 = R3, а Rсв □ R1, то Uвых = Ku(E1 – E2), где Ku ≈ Rсв/R1.
|
|
|
Многокаскадный усилитель удобно рассматривать на основе инструментального усилителя. Схема инструментального усилителя приведена на рис. 7.11.
Каскад на ОУ DA3 представляет собой дифференциальный усилитель. Обычно в нем используют 4 одинаковых точных резистора: R4 = R5 = R6 = R7 = R. Во входном каскаде сопротивления резисторов R1 и R3 выбираются одинаковыми: Rl = R3 = г. Входной каскад обеспечивает единичный коэффициент усиления синфазной составляющей и одновременно может значительно усиливать дифференциальную составляющую, причем это выполняется даже без особого согласования резисторов R1 и R3. Выходной каскад дифференциального усилителя дополнительно ослабляет синфазное напряжение помехи и формирует на выходе разностный сигнал.
Найдем дифференциальный и синфазный коэффициенты усиления схемы. При дифференциальном входном сигнале напряжения на входах схемы и на выходах ОУ DA1 и DA2 будут равны по модулю, но противоположны по знаку. Поэтому потенциал точки, соответствующей "середине" резистора R2, будет равен 0. Тогда каждый из входных каскадов представляет собой неинвертирующий усилитель (если мысленно заземлить "середину" резистора R2). Коэффициент усиления каждого такого каскада
Rl = R3, следовательно, КДИФ1 = КДИФ2. При выбранном соотношении между резисторами R4 = R5 = R6 = R7 = R каскада на DA3 его дифференциальный коэффициент усиления будет равен 1. Окончательно получаем, что дифференциальный коэффициент усиления инструментального усилителя
При синфазном входном сигнале напряжения на обоих входах и выходах ОУ DA1 и DA2 равны по величине. Это означает, что напряжения на двух концах резистора R2 также будут одинаковы, следовательно, ток через него протекать не будет. Поэтому величина этого резистора не будет оказывать влияние на свойства схемы при синфазном входном сигнале, и его можно вообще исключить из рассмотрения. В таком случае входные каскады представляют собой повторители напряжения и их коэффициенты усиления будут равны Ксин1 = Ксин2 = 1. При этом величины этих коэффициентов усиления не зависят от величины и точности резисторов R1 и R3. Для дифференциального усилителя соответствующий коэффициент усиления синфазной составляющей оказывается весьма малым (определяется свойствами ОУ DA3), значит, таким же будет и суммарный синфазный коэффициент усиления всего инструментального усилителя.
|
|
|
Таким образом, в схеме инструментального усилителя обеспечивается гораздо больший дифференциальный коэффициент усиления при такой же величине синфазного коэффициента усиления, что и для обыкновенного дифференциального усилителя или дифференциального усилителя с дополнительными повторителями на входе. Кроме того, можно легко регулировать дифференциальный коэффициент усиления, изменяя величину сопротивления только одного резистора R2 (в дифференциальном усилителе для этого потребовалось бы синхронно изменять два). Именно поэтому такие усилители находят самое широкое применение в схемах измерения и контроля, в системах управления, тем более, что существуют такие инструментальные усилители, выполненные в интегральном исполнении.
|
|
|
Автоматическая коррекция нуля. Преобразование биполярных входных сигналов
Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.
АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ.
Анализ электрических цепей постоянного тока с одним источником энергии
Аналоговые приборы для электрических измерений.
Базовые соотношения для линейных электрических цепей
Взаимное превращение электрических и магнитных полей. Уравнения Максвелла.
Виды диэлектрических потерь.
Выходные усилители мощности
Генератор сигналов низкочастотный Г3-109.
