Усилительные каскады на основе операционных усилителей

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ОСНОВЕ ОУ

 

1. Свойства операционных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью по напряжению

На рисунке 8.1 изображена схема операционного усилителя, охваченного обратной связью.

Рисунок 8.1. Схема формирования отрицательной обратной связи

Обратная связь образуется цепью Z_OC, которая обеспечивает возврат части энергии сигнала с выхода ОУ на его инвертирующий вход. Поэтому ОС является отрицательной. Так как входным сигналом цепи ОС является обратной связью по напряжению. В связи с этим, выходное сопротивление образованного усилителя будет значительно меньше, чем выходное сопротивление использованного операционного усилителя:

Z_{вых ООС} = Z_выхОУ / (1 + g K), (8.1)

где g – коэффициент передачи цепи ОС;

К – коэффициент усиления ОП.

Таким образом, сравнительно малое значение выходного сопротивления ОУ еще больше уменьшается.

Относительно сигнала (U_вх1), подаваемого на инвертирующий вход, выход цепи ООС оказывается подключенным параллельно, а относительно сигнала (U_вх2), подаваемого на неинвертирующий вход, – последовательно. Поэтому могут разниться входные сопротивления для этих двух источников сигнала.

Получим еще несколько выражений, которые будут использованы в дальнейшем.

Так как ОП является дифференциальным усилителем, то выходное напряжение

. (8.2)

Откуда .

Учитывая, что К велико (в идеальном ОУ К Þ ¥), а величина выходного напряжения ограничена (по крайней мере, значениями напряжения источника питания, получаем:

. (8.3)

Для узла в точке А можно записать:

Если R_вх>> R_ОС (в идеальном ОУ R_вх Þ ¥), то

. (8.4)

В дальнейшем кроме этих выражений, полученных на основе показателей идеальности ОУ, при анализе отдельных схем будем пренебрегать напряжением смещения нуля (U_см), входными токами (I_вх, DI_вх) и их дрейфами.

2. Линейные схемы

 

2.1. Инвертирующий усилитель

На рисунке 8.2 приведена схема простейшего инвертирующего усилителя. Неинвертирующий вход заземлен, т.е. находится под нулевым напряжением (U_вх2 рисунка 8.1 равно нулю). Входной сигнал через резистор R1 подается на инвертирующий вход. Операционный усилитель охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению через резистор R_ОС. Найдем выражение для коэффициента усиления схемы.

Рисунок 8.2. Инвертирующий усилитель

В соответствии с выражением (8.3)

 

U_A = U_B = 0 (8.5)

Следовательно, потенциал точки А в первом приближении, равен потенциалу общей шины – «земли». Поэтому эта точка получила наименование «виртуальной земли».

Используя полученное значение, находим для токов, входящих в (8.4)

; (8.6)

. (8.7)

Приравнивая их и учитывая, что К = U_вых / U_вх,, получаем для коэффициента усиления инвертирующего усилителя

, (8.8)

где знак минус указывает на изменение фазы выходного сигнала по сравнению с фазой входного на 180⁰ (выходное напряжение находится в противофазе, инверсно, с входным напряжением). В связи с этим, если входной сигнал нарастает, то усиленный выходной – спадает, и наоборот, спадающему входному сигналу соответствует нарастающий выходной. Подобное явление уже нами встречалось при рассмотрении усилителей ОЭ, ОБ и ОИ.

Из (8.8) видно, что инвертирующий усилитель может иметь любой коэффициент усиления как больший единицы, так и меньший.

Параллельная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное (см. (8.1)) и выходное сопротивления усилителя. Величину последнего, в первом приближении, можно определить, используя понятие «виртуальная земля». Так как напряжение в точке А равно нулю, то для источника входного сигнала «кажется», что между его входами включен резистор R1, т.е.

 

R_{вх и ус} = R1. (8.9)

Как показано в предыдущем разделе, введение ООС расширяет диапазон усиливаемых частот. На рисунке приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя, спроектированного на основе этого ОУ.

Рисунок 8.3. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя

Большие коэффициенты усиления исходного ОУ соответствуют весьма узкому диапазону частот – от нуля до примерно нескольких десятков/сотен герц.

Равномерный коэффициент усиления инвертирующего усилителя простирается до верхней частоты, равной:

. (8.10)