Суммирующий и вычитающий усилители

Сумматор на основе ОУ – инвертирующий усилитель с дополнительными входами (рис.12.6). В этой схеме также используются свойства мнимой земли.

Рис.12.6. Суммирующий усилитель

Составляя уравнение баланса токов и полагая, что входы ОУ ток не потребляют, имеем:

I_OC = I₁ + I₂.

Поскольку инвертирующий вход ОУ в этой схеме является мнимой землей, токи можно выразить через напряжения сигналов и сопротивления резисторов следующим образом:

–U_ВЫХ / R_ОС= U₁ / R₁ + U₂ / R₂,

U_ВЫХ = –( U₁ R_ОС / R₁ + U₂ R_ОС / R₂). (12.4)

Сопротивления резисторов обычно лежит в пределах от 10 до 100 кОм, удобно их выбрать так, чтобы выполнялись равенства R_ОС = R₁ + R₂, в этом случае

U_ВЫХ = –( U₁ + U₂ ). (12.5)

Заметим, что хотя выходной сигнал и равен по величине сумме входных сигналов, все же знак его – обратный, это свойство схем с мнимой землей.

Характерная особенность схемы в том, что входные сигналы не влияют друг на друга.

В схеме дифференциального усилителя (рис. 12.7) входная цепь выполнена так, что подача сигнала обратной связи совмещена с наличием дифференциального входа, фактически эта схема представляет собой комбинацию схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Вход U_ВХ1 является инвертирующим, вход U_ВХ2 – неинвертирующим. Если вход U_ВХ2 заземлить, а на вход U_ВХ1 подать сигнал, то получившаяся схема будет эквивалентна инвертирующему усилителю с коэффициентом усиления напряжения –R_ОС / R₁. Если входы поменять местами, то получится неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления напряжения R_ОС / R₁. Относительное ослабление синфазного сигнала, в принципе, может быть таким же большим, каким оно является у самого ОУ, но на практике оно ограничено допусками на сопротивления резисторов.

Рис.12.7. Дифференциальный усилитель

В случае, если сопротивления всех резисторов в схеме одинаково R₁ = R₂ = R₃ = R_ОС,

U_ВЫХ = U_ВХ2 – U_ВХ1. (12.6)

Входное сопротивление схемы по инвертирующему входу равно R₁, а по неинвертирующему – R₂ + R_3, приэтом они могут различаться весьма существенно. Но ведь одним из важных применений дифференциального усилителя является подавление с его помощью фона и помех, которые наводятся на проводящих проводах. Если сопротивление источника сигнала не мало, то значительное различие входных сопротивлений становится существенным недостатком.

Обычно бывает можно пожертвовать оптимальными условиями согласования по постоянному току, беря сопротивления такими, чтобы выполнялись равенства: R₂+R₃=R₁; R₂/R₃=R_ОС /R₁; при этом входные сопротивления выравниваются, а коэффициент подавления синфазной помехи остается большим. Для получения больших значений этого коэффициента используют дифференциальные усилители на нескольких ОУ.

Интеграторы

Если ООС, которой охвачен ОУ, образуется конденсатором, то схема выполняет математическую операцию интегрирования по времени (рис.12.8).

Рис.12.8. Интегратор на ОУ

Входной ток U_ВХ / R протекает через конденсатор С. В связи с тем, что инвертирующий вход имеет потенциальное заземление, выходное напряжение определяется следующим образом:

U_ВХ / R = – С (dU_ВЫХ / dt),

U_ВЫХ = – . (12.7)

Представленной здесь схеме присущ один недостаток, связанный с тем, что выходное напряжение имеет тенденцию к дрейфу, обусловленному сдвигами ОУ и током смещения (в схеме отсутствует ООС по постоянному току). Это нежелательное явление можно ослабить, если использовать ОУ на полевых транзисторах, отрегулировать входное напряжение сдвига ОУ и выбрать большие величины R и C. Кроме того, на практике часто прибегают к периодическому сбросу в нуль интегратора с помощью подключенного к конденсатору переключателя (обычно на полевом транзисторе) (рис.12.9, а).

Если остаточный дрейф по-прежнему слишком велик для конкретного случая использования интегратора, то к конденсатору С следует подключить резистор с очень большим сопротивлением R₂, который обеспечит стабильное смещение за счет обратной связи по постоянному току (рис.12.9, б). Такое подключение приведет к ослаблению интегрирующих свойств на очень низкой частоте: ƒ < 1/R₂C.

Интегратор может служить источником линейно-изменяющегося напряжения, необходимого, например, в осциллографах в качестве генератора развертки, используемого также при реализации некоторых методов цифро-аналогового преобразования. Если на вход интегратора подать постоянное напряжение, на выходе получим линейно-возрастающее напряжение, которое будет увеличиваться вплоть до напряжения насыщения. Когда на входе действует симметричные относительно земли периодические колебания, это приводит к возникновению на выходе треугольных колебаний.

Схему 12.9, а можно использовать как генератор пилообразных колебаний. Для этого на вход необходимо подать постоянное напряжение, а на вход полевого транзистора – периодические прямоугольные импульсы (рис. 12.10).

При отрицательном напряжении на затворе полевой транзистор запирается, интегратор вырабатывает на выходе линейно-возрастающее напряжение, по приходу положительного импульса полевой транзистор открывается, конденсатор быстро разряжается, выходное напряжение сбрасывается до нуля. Периодические импульсы сброса формируют на выходе пилообразное напряжение.

а) б)

Рис.12.9. Интеграторы с уменьшенным дрейфом:

а) – с периодическим сбросом; б) – с резистором в цепи ООС

Рис.12.10. Временные диаграммы работы интегратора со сбросом

в качестве генератора пилообразных импульсов

Дифференциаторы

Дифференциаторы подобны интеграторам, в них только меняются местами резистор R и конденсатор C. Инвертирующий вход ОУ заземлен, поэтому изменение входного напряжение с некоторой скоростью вызывают изменения тока I = С(dU_ВХ /dt), а следовательно и выходного напряжения

U_ВЫХ = – RC(dU_ВХ / dt). (12.8)

На практике с дифференциаторами на основе ОУ работать трудно из-за их большой чувствительности к всевозможным шумам во входной цепи. Действующее напряжение шума может быть совсем небольшим, но часто скорость его изменения весьма велика и приводит к большим по величине паразитным сигналам на выходе дифференциатора. По этой причине избегают применения дифференциаторов везде, где это возможно. Если нельзя обойтись без дифференциатора, то можно понизить чувствительность к помехам, ослабляя эффективное усиление в усилителе на высоких частотах. Для этого последовательно с конденсатором С включают резистор (типичное значение – 1кОм), а параллельно резистору R – конденсатор небольшой емкости (типичное значение – 100пФ), и экспериментально подбирают значения этих параметров так, чтобы достичь приемлемого компромисса между чувствительностью к помехам и точностью дифференцирования (рис.12.11).

Рис.12.11. Дифференциатор на ОУ с уменьшенной чувствительностью к помехам