Операционные усилители (ОУ) и схемы их включения.

Электроника, электрика / Не разобранное - электрика
Alexsandrs
1 565
7-10-2017, 14:43
0

Операционный усилитель (ОУ) – представляет собой устройство с двумя входами и одним выходом. Напряжение на выходе зависит только от разности напряжений на входах.

Рис. 21.
На рис. 21 a) представлен ОУ. Напряжение на выходе Out зависит только от разности напряжений в точках In1 и In2 (dU), и не зависит от U. Естественно, что напряжения в In1, In2 и Out должны быть в диапазоне от 0 до Uпит. Если напряжение на In2 (положительный вход) больше напряжения на In1 (отрицательный вход), то напряжеие на Out будет расти. Если наоборот (In1 > In2), то будет падать. Причём, коэффициент усиления у ОУ очень большой, можно считать бесконечным. Т.е. даже при очень маленьком значении dU= In2 – In1, напряжение на Out может быть значительным. В таком виде ОУ работает как компаратор (устройство сравнения уровней). Допустим, напряжение на In2 (положительный вход) меньше напряжения на In1 (инверсный вход), разность напряжений отлична от нуля, коэффициент усиления ОУ очень большой, следовательно, напряжение на Out будет мало (минимально возможное) и равно 0в (равно отрицательному питанию). Когда напряжение на In2 (положительный вход) становится больше In1 (инверсный вход), напряжение на Out резко возрастёт до максимального значения, равного напряжению питания (Uпит) см. рис12 b).
Для уменьшения коэффициента усиления ОУ используют отрицательную обратную связь (ООС) (Рис. 22 a) и b)).
Обратная связь – когда выходное напряжение или ток влияют на входное напряжение или ток. Бывает положительная (когда выходной сигнал дополнительно усиливает входной) и отрицательная (когда выходной сигнал ослабляет входной). Так же ОС делят на ОС по напряжению и по току.

Рис. 22.
На рис 22 a) входной сигнал подаётся на инверсный вход. При увеличении напряжения на In, на инверсном входе напряжение увеличивается, значит, на выходе оно уменьшается, через R2 течёт ток, который понижает напряжение на инверсном входе ОУ. Т.к. даже совсем небольшое напряжение на входе ОУ (A) вызывает очень большое изменение на выходе, видно, что выходное напряжение будет уменьшаться для тех пор, пока ток через R2 не скомпенсирует входное напряжение и напряжение в А приблизится к нулю. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения. Напряжение на выходе будет таким, чтобы напряжение в точке A было равно 0. Рассчитаем коэффициент нашего усилителя.
Ток через R1 и R2 = (разность напряжений) / (R1 + R2) = (Vout – Vin) / (R1 + R2). Для того, чтобы напряжение в точке А было равно 0, падение на R1 должно быть равно –Vin.
Таким образом, –Vin= ток * R1 = R1*(Vout – Vin) / (R1 + R2). Отсюда Vout = -Vin * (R2 / R1). Т.е. коэффициент усиления этого усилителя равен k=-R2 / R1 (на выходе сигнал будет инвертирован).
Рассмотрим усилитель на рис 22. b). Здесь сигнал подаётся на положительный вход. При увеличении напряжения на входе, увеличивется разность напряжений на входах ОУ (между In и точкой А), следовательно, напряжение на выходе увеличивается, через R2 начинает течь ток, в точке А поднимается напряжение, уменьшается разность напряжений на входах ОУ. Таким образом, разность напряжений на входах ОУ близка к нулю (Vin = Va = Vr1). Резисторы R1 и R2 образуют делитель. Посмотрим, какое Vout должно быть, чтобы разность напряжений на входе ОУ стала равной 0. Напряжение на R1 = Vr1 = R1* (Vout/(R1+R2))= Vin. Отсюда Vout= Vin * ( 1 + R2/R1), k =1 + R2/R1. У этого усилителя положительный коэффициент усиления.
На рис. 22 с) показан дифференциальный усилитель. Напряжение на его выходе зависит только от разности напряжений на входах In1 и In2. Рассчитаем его усиление. Напряжения в точках А и B равны (Va = Vb). Va = Vin2 – Vr3= Vin2 – R3* Vin2 / (R3+R4) = Vb= Vin1 – Vr1 = Vin1 – R1* (Vin1 - Vout) / (R1 +R2). Если взять R3=R1 и R4=R2, получим Vout = (Vin2 – Vin1) * (R1/(R1+R2) * (R1/R2)). Видно, что выходное напряжение зависит только от разности входных напряжений и не зависит от ох абсолютных величин.

Рис 23.
На рис 23 a) представлена схема компаратора с наличием петли гистерезиса. По сути - это обычный усилитель с положительной обратной связью (ПОС, когда выходной сигнал дополнительно усиливает входной). Его переключение происходит только тогда, когда входное напряжение превышает на определённую величину напряжение на втором входе. На Рис. 23 b) график напряжений компаратора. На входе В постоянное напряжение (красный график). На входе А постепенно увеличиваем напряжение. В точке t1 оно станет выше, чем на втором входе, но компаратор не переключается, т.к. в точке C оно всё равно ниже (через R2 течёт ток и понижает напряжение в С). Продолжаем повышать на входе напряжение до u2. При этом напряжение в точке С становится больше чем в B, происходит переключение компаратора. Такой же процесс происходит при понижении входного напряжения. Переключение происходит только в точке t4 при напряжении u1. Т.е. компаратор с петлёй гистерезиса ‘помнит’ предыдущее состояние и пытается его удерживать. На рис. 23 c) представлена зависимость выходного напряжения от входного, там хорошо видна петля гистерезиса (путь в одну сторону, отличается от пути в другую).
От соотношения R1 и R2 и напряжения питания зависит величина петли. Рассчитывается, исходя их того, что переключение происходит в моменты когда напряжение в точке С равно напряжению в точке В.

Источник: http://people.overclockers.ru

Обсудить на форуме