Использование параллельной отрицательной обратной связи. Инвертор, интегратор, дифференциатор, сумматор.

Операционный усилитель (ОУ). Дифференциальное напряжение. Синфазное напряжение. Идеальный ОУ. Виды обратной связи.

Операционный усилитель — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Идеальный ОУ описывается формулой (1)

Vout: напряжение на выходе

V+: напряжение на неинвертирующем входе

V−: напряжение на инвертирующем входе

Gopenloop: коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи

 и обладает следующими характеристиками:

*Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи

*Бесконечно большое входное сопротивление входов V- и V+. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.

*Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.

*Способность выставить на выходе любое значение напряжения.

*Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.

Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

понятия дифференциального и синфазного напряжений. Дифференциальное напряжение представляет собой разность входных (выходных) напряжений:

Uдиф = U1 – U2.

Синфазное напряжение можно определить как полусумму напряжений:

. (6.4)

В таком случае напряжения на входе балансного усилителя можно представить следующим образом (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5. Дифференциальное и синфазное напряжение

Дифференциальное напряжение равно нулю, если два входа каскада соединить между собой. В таком случае все входное напряжение представляет собой синфазное входное напряжение. В полностью сбалансированном балансном каскаде в этом случае выходное напряжение будет равно нулю, причем для любого значения синфазного сигнала. Таким образом, балансные усилители усиливают только дифференциальную составляющую и не усиливают синфазную составляющую.

Виды обратных связей

   Обратной связью (ОС) называют подачу части (или всего) выходного сигнала усилителя на его вход. Обычно ее специально вводят для целенаправленного изменения характеристик усилительного устройства. Однако иногда она возникает самопроизвольно. Такую обратную связь называют паразитной.

   В зависимости от способа получения сигнала ОС различают обратную связь по напряжению (сигнал ОС пропорционален напряжению нагрузки) и по току (сигнал ОС пропорционален току нагрузки).

    По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя различают обратную связь последовательную (когда суммируются напряжения U вх и U ОС ) и параллельную (когда суммируются I вх токи и I ОС ).

Обратную связь называют положительной, если сигнал ОС суммируется с усиливаемым сигналом. В усилителе с положительной обратной связью (ПОС) суммарный фазовый сдвиг в петле равен нулю и T(p)=T, а K ОС = K 1−T . При T<1 коэффициент усиления увеличивается по сравнению с усилителем без ОС, а при T=1 стремится к бесконечности (физически это означает, что усилитель самовозбуждается и превращается в автогенератор).

   Обратную связь называют отрицательной, если сигнал ОС вычитается из усиливаемого сигнала. В усилителе с отрицательной обратной связью (ООС) суммарный фазовый сдвиг в петле равен 180 эл. град., T( p)=−T, а K ОС = K 1+T = K 1+Kγ , т.е. коэффициент усиления уменьшается. Несмотря на это, последовательная ООС по напряжению очень широко применяется, так как существенно улучшаются свойства усилителя:

    а) повышается стабильность коэффициента усиления по напряжению при изменениях параметров транзисторов;

   б) снижается уровень вносимых данным усилителем нелинейных искажений;

   в) расширяется полоса пропускания;

   г) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивление усилителя.

Использование параллельной отрицательной обратной связи. Инвертор, интегратор, дифференциатор, сумматор.

На рис. 2 представлена схема с ОУ, охваченным параллельной отрицательной обратной связью.

Рис.2. Параллельная отрицательная обратная связь

Из свойств идеального ОУ  вытекает, что разность между инвертирующим и неинвертирующим входами чрезвычайно мала  и входы можно считать виртуально (квази) закороченными. Выходное напряжение для данной схемы можно найти из следующих соображений. Поскольку инвертирующий вход – точка суммирования, находится под нулевым потенциалом, то ток, протекающий по резистору , является входным током, который будет определяться следующим соотношением , а выходное напряжение , откуда коэффициент усиления  схемы с параллельной ООС будет равен , то есть  определяется не свойствами ОУ, а элементами ОС , .

Рассмотрим ряд схем, реализованных на основе ОУ с параллельной ООС, представленных на рис.3. На рис.3а представлена схема инвертора или схема умножения входного напряжения на . Это достигается тем, резисторы . На рис.3б представлена схема дифференциатора. Поскольку , а , который в то же время равен  (инвертирующий вход виртуально заземлен), то , .

На рис.3в представлена схема дифференциатора с использованием индуктивности L. Для нее справедливо , то есть, как и в схеме с использованием конденсатора, выходное напряжение пропорционально производной от входного. На рис.3г, 3д представлены схемы интеграторов входного напряжения. Для схемы на рис.3г справедливо

, , , .

Аналогично имеем для схемы на рисунке 3д

, , .

На рис.3е представлен преобразователь ток-напряжение. В данной схеме источник тока виртуально заземлен (схема имеет неоспоримые преимущества по сравнению с преобразователями ток-напряжение на основе низкоомных резисторов-шунтов). Выходное напряжение пропорционально входному току. Коэффициент пропорциональности – сопротивление . На рис.3ж представлена схема сумматора. Здесь в точке суммирования складываются входные токи, протекающие по входным резисторам. Суммарный ток протекает по резистору обратной связи и создает выходное напряжение.

На рис.3з представлен дифференциальный усилитель. Выходное напряжение схемы пропорционально разности .

Некоторым недостатком схем с параллельной ООС является невысокое входное сопротивление, определяемое входным сопротивлением .

Достоинство данных схем состоит в том, что отсутствует синфазная составляющая входного сигнала. Неинвертирующий вход заземлен .

Рис.3. Схемы на основе ОУ с параллельной ООС