Решающие схемы на операционном усилителе
Инвертирующий усилитель изменяет знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R ОС отрицательной обратной связи по напряжению (рисунок 41). Неинвертирующий вход заземляется. На инвертирующий вход через резистор R 1 подается входной сигнал. Если принять  = ∞ и входной ток ОУ I ОУ = 0, то I вх = I ОС, тогда U вх − U 0 / R 1 = U вых − U 0 / R ОС.
При  → ∞ напряжение на входе ОУ U 0 = U вых /  → 0, тогда
U вх / R 1 = − U вых / R ОС.
Рисунок 41 – Инвертирующий усилитель
Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с параллельной обратной связью КU и = U вых / U вх = − R ОС / R 1, т. е. определяется параметрами только пассивной части схемы. Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов входы делают симметричными, выбирая R 2 = R 1 // R ОС.
Неинвертирующий усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению и не изменяет знак выходного сигнала относительно входного (рисунок 42). Входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ. Полагая U 0 = 0, I ОУ = 0, получим U вых = U вх [(R 1 + R ОС) / R 1]. Тогда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя КU н = 1 + R ОС / R 1.
Рисунок 42 – Неинвертирующий усилитель
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя R вх велико, а выходное сопротивление R вых → 0.
Неинвертирующий и инвертирующий усилители широко используют в качестве высокостабильных усилителей различного назначения.
Преобразователь тока в напряжение. На рисунке 43 видно, что I вх = I ОС = − U вых / R ОС и, следовательно, U вых = − I вх · R ОС. Преимуществом схемы являются малые входное и выходное сопротивления.
Рисунок 43 – Преобразователь тока в напряжение
Сумматоры делятся на инвертирующие и неинвертирующие. Они предназначены для сложения нескольких входных сигналов. Неинвертирующий сумматор (рисунок 44, а) реализуется на основе схемы неинвертирующего усилителя (см. рисунок 42) путем добавления к входу параллельных ветвей, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.
При U 0 = 0
U н = U и = [ R 1 / (R 1 + R ОС)] U вых.
Тогда
U 1 – U н / R + U 2 – U н / R +… Un – U н / R = 0.
Откуда для неинвертирующего усилителя
U вых = [(R 1 + R ОС) / nR 1] (U 1 + U 2 +… Un).
Инвертирующий сумматор (рисунок 44, б) выполняется по типу инвертирующего усилителя (см. рисунок 41) с числом параллельных
ветвей на входе, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.
Для инвертирующего сумматора
R ОС = R 1 = R 2 = … = Rn.
Рисунок 44 – Сумматоры:
а – неинвертирующий; б – инвертирующий
При  = 0 получаем
I ОС = I 1+ I 2+…+ In.
Тогда
U вых = − (R ОС / R 1) U 1 + (R ОС / R 2) U 2 +… (R ОС / Rn) Un.
Интегратор создают заменой в схеме инвертирующего усилителя (см. рисунок 41) резистора R ОС конденсатором С 1 (рисунок 45).
 Выходное напряжение интегратора пропорционально интегралу от входного сигнала. Так как
I вх = I С
или
U вх / R 1 = − С 1(dU вых / dt),
то
U вых = − 1 / R 1 С 1 ∫ U вх dt + U вых0,
где U вых0 − выходное напряжение при t = 0.
Если t = 0 и U вых0 = 0, то тогда
U вых = − 1 / τ ∫ U вх dt,
где τ = R 1 С 1 – постоянная времени.
1 / τ определяет масштаб интегрирования, так при R 1 = 1 МОм и
С 1 = 0, 1 мкФ τ = 0, 1 с-1.
 Интеграторы широко распространены в аналоговых решающих и моделирующих устройствах.
| Рисунок 46 – Дифференциатор
| Дифференциатор. Если в схеме интегратора поменять местами сопротивление R 1 и конденсатор С 1, то получим схему дифференциатора (рисунок 46). Рисунок 46 – Дифференциатор
Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ, и формула выполняемой операции определяется выражением:
U вых = − R 1 С 1 (dU вх / dt) = − τ (dU вх / dt).
Мультивибратор – это устройство, которое служит для получения прямоугольных импульсов. Мультивибратор на ОУ (рисунок 47) относится к самовозбуждающимся генераторам. ОУ работает в импульсном режиме
(на нелинейном участке амплитудной характеристики). Он сравнивает два сигнала: по неинвертирующему входу U 1 и по инвертирующему входу U С (напряжение конденсатора С 1).
| Рисунок 47 – Мультивибратор
|  В результате перезарядки конденсатора выходное напряжение скачком изменяется от  до  =  . При R 3 = R 4 длительность импульса t и ≈ 1, 1 R 2 С 1, а период импульса T = 2 t и ≈ 2, 2 R 2 · С 1. Изменяя R 3 и R 4, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.
|
