Схемотехника аналоговых электронных устройств

Здесь достигнута 100% ПООСН, поэтому данный повторитель имеет максимально большое входное и минимальное выходное сопротивления и используется, как и любой повторитель, в качестве согласующего каскада. Для неинвертирующего повторителя можно записать:

U_ош ≈ U_см + I_вх срR_г ≈ I_вх срR_г,

т.е. напряжение ошибки может достигать довольно большой величины.

На основе рассмотренного неинвертирующего УПТ также возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений M_н (см. подраздел 2.5).

Помимо инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ выполняются различные варианты УУ, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

6.5. Разновидности УУ на ОУ

На основе ОУ может быть выполнен разностный (дифференциальный) усилитель, схема которого приведена на рисунке 6.10.

Рисунок 6.10. Разностный усилитель на ОУ

Разностный усилитель на ОУ можно рассматривать как совокупность инвертирующего и неинвертирующего вариантов усилителя. Для U_вых разностного усилителя можно записать:

U_вых = K_U инвU_вх1 + K_{U неинв}U_вх2R₃/(R₂ + R₃).

Как правило, R₁=R₂ и R₃=R_ос, следовательно, R₃/R₂=R_ос/R₁=m. Раскрыв значения коэффициентов усиления, получим:

U_вых = m(U_вх2 – U_вх1),

Для частного случая при R₂=R₃ получим:

U_вых = U_вх2 – U_вх1.

Последнее выражение четко разъясняет происхождение названия и назначение рассматриваемого усилителя.

В разностном усилителе на ОУ при одинаковой полярности входных напряжений имеет место синфазный сигнал, который увеличивает ошибку усилителя. Поэтому в разностном усилителе желательно использовать ОУ с большим КОСС. К недостаткам рассмотренного разностного усилителя можно отнести разную величину входных сопротивлений и трудность в регулировании коэффициента усиления. Эти трудности устраняются в устройствах на нескольких ОУ, например, в разностном усилителе на двух повторителях (рисунок 6.11).

Рисунок 6.11. Разностный усилитель на повторителях

Данная схема симметрична и характеризуется одинаковыми входными сопротивлениями и малым напряжением ошибки, но работает только на симметричную нагрузку.

На основе ОУ может быть выполнен логарифмический усилитель, принципиальная схема которого приведена на рисунке 6.12.

Рисунок 6.12 Логарифмический усилитель на ОУ

P-n переход диода VD смещен в прямом направлении. Полагая ОУ идеальным, можно приравнять токи I₁ и I₂. Используя выражение для ВАХ p-n перехода {I=I₀·[exp(U/φ_T)–1]}, нетрудно записать:

U_вх/R = I₀·[exp(U/φ_T) – 1],

откуда после преобразований получим:

U_вых = φ_T·ln(U_вх/I₀R) = φ_T(lnU_вх – lnI₀R),

из чего следует, что выходное напряжение пропорционально логарифму входного, а член lnI₀R представляет собой ошибку логарифмирования. Следует заметить, что в данном выражении используются напряжения, нормированные относительно одного вольта.

При замене местами диода VD и резистора R получается антилогарифмический усилитель.

Широкое распространение получили инвертирующие и неинвертирующие сумматорына ОУ, называемые еще суммирующими усилителями или аналоговыми сумматорами. На рисунке 6.13 приведена принципиальная схема инвертирующего сумматора с тремя входами. Это устройство является разновидностью инвертирующего усилителя, многие свойства которого проявляются и в инвертирующем сумматоре.

Рисунок 6.13. Инвертирующий сумматор на ОУ

При использовании идеального ОУ можно считать, что входных токов усилителя, вызванных входными напряжениями U_вх1, U_вх2 и U_вх3, равна току, протекающему по R_ос, т.е.

U_вх1/R₁ + U_вх2/R₂ + U_вх3/R₃ = –U_вых/R_ос,

откуда

Из полученного выражения следует, что выходное напряжение устройства представляет собой сумму входных напряжений, умноженную на коэффициент усиления K_U инв. При R_ос=R₁=R₂=R₃  K_U инв=1 и U_вых=U_вх1+U_вх2+U_вх3.

При выполнении условия R₄=R_ос∥R₁∥R₂∥R₃ токовая ошибка мала, и ее можно рассчитать по формуле U_ош=U_см(K_U ош+1), где K_U ош=R_ос/(R₁∥R₂∥R₃) — коэффициент усиления сигнала ошибки, который имеет большее значение, чем K_U инв.

Неинвертирующий сумматор реализуется также как и инвертирующий сумматор, но для него следует использовать неинвертирующий вход ОУ по аналогии с неинвертирующим усилителем.

При замене резистора R_ос конденсатором C (рисунок 6.14) получаем устройство, называемое аналоговым интегратором или просто интегратором.

Рисунок 6.14. Аналоговый интегратор на ОУ

При идеальном ОУ можно приравнять токи I₁ и I₂, откуда следует:

или

Точность интегрирования тем выше, тем больше K_u ОУ.

Кроме рассмотренных УУ, ОУ находят применение в целом ряде устройств непрерывного действия, которые будут рассмотрены ниже.

6.6. Коррекция частотных характеристик