Какую математическую операцию над аналоговыми сигналами выполняет усилитель

6

Лекция 10. Схемы на основе оу для выполнения математических операций

Используя свойства идеального ОУ найдем зависимость выходного напряжения от входных сигналов: . Поэтому уравнение Кирхгофа для точки А запишется в виде:

.

Выразим его через элементы схемы:

.

.

То уравнение токов перепишется в более простом виде:

.

Откуда можно найти выражение для выходного напряжения:

.

Как видно, выходное напряжение схемы пропорционально алгебраической сумме входных сигналов, причем каждый из них умножен на свой коэффициент:

,

где – коэффициент передачи суммирующего делителя по i-у входу.

Теоретически число входов суммирующего усилителя может быть бесконечно большим, на практике же, число входов ограничивается напряжением смещения нуля и его температурным дрейфом. Кроме того, здесь необходимо соблюдать принцип компенсации ошибок от наличия входных токов, для этого рекомендуется на неинвертирующий вход подключать резистор, номинал которого равен полному эквивалентному сопротивлению, подключенному к инвертирующему входу:

.

Эта схема является одной из базовых в аналоговых и аналогово-цифровых вычислительных комплексах.

Используя на каждом входе схемы ЦАП, с помощью этой схемы можно производить операции умножения и суммирования смешанных величин. То есть, часть входных величин может быть в аналоговой форме, часть в цифровой.

Как и для всех схем включения ОУ, здесь могут возникнуть ошибки от напряжения смещения нуля, от наличия входных токов и от неравенства бесконечности коэффициента усиления ОУ.

Интегрирующий усилитель

Схема интегрирующего усилителя приведена на рис. 60.

Рис. 60. Схема интегрирующего усилителя

Пусть ОУ идеальный: . Тогда уравнение Кирхгофа для точки А запишется в следующем виде:

.

Раскроем это уравнение:

.

Определим потенциал точки А:

.

С учетом этого уравнения перепишется в следующем виде:

.

Откуда выразим выходное напряжение:

.

Величина называется коэффициентом передачи интегрирующего усилителя.Схема также является базовой в аналоговых и аналогово-цифровых вычислительных комплексах. Потому что в них заложен принцип решения дифференциальных уравнений методом понижения порядка производной, то есть уравнение последовательно интегрируется. Кроме того, на базе этой схемы можно сочетать операцию суммирования с интегрированием (обозначено пунктиром на рис. 83).В этом случае выходное напряжение будет пропорционально интегралу от алгебраической суммы входных сигналов. Аналогично предыдущей схеме здесь указанные математические операции можно производить над смешанными величинами. И для этой схемы характерны все те погрешности, о которых было сказано для предыдущей схемы. И дополнительная ошибка может появиться за счет неидеальности конденсатора (наличие тока утечки).

Вычислительные схемы на основе операционных усилителей

Современные компьютеры позволяют с высокой точностью выполнять любые математические операции с числами. Однако на практике часто приходится оперировать с величинами, представленными в виде напряжения или тока. Так, большинство датчиков различных физических величин дают информацию об измеряемом параметре именно в таком виде. В этих случаях, чтобы использовать компьютер, приходится применять аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Конечно, такие системы достаточно сложные и дорогостоящие, что не всегда экономически оправдано.

Аналоговая схемотехника на основе ОУ позволяет создавать самые различные вычислительные схемы весьма просто и эффективно. На основе ОУ могут быть реализованы четыре основных действия арифметики, операции дифференцирования и интегрирования, трансцендентные функции. Недостатком этих вычислительных схем является невысокая точность вычислений – не более 0,1%. Однако этой точности в целом ряде случаев бывает вполне достаточно.

Схема суммирования

Для суммирования нескольких напряжений можно применить ОУ в инвертирующем включении (рис. 2.15, а). Входные напряжения через резисторы Rt, . Rrl подаются на инвертирующий вход усилителя, который в этой схеме является суммирующей точкой. Поскольку эта точка является виртуальным нулем (неинвертирующий вход заземлен, а ΔUΒΧ ≈ 0), то токи, создаваемые входными напряжениями, будут суммироваться и течь через резистор Roc:

Если все резисторы взять одинаковыми, то

Суммирование входных напряжений можно также проводить с любым постоянным смещением. Для этого на один из входов подается постоянное напряжение смещения.

Схема вычитания

На рис. 2.15, б изображена схема, обеспечивающая вычитание двух напряжений:

Рис. 2.15. Схемы суммирования (а) и вычитания (б)

Если все сопротивления сделать одинаковыми, то при отсутствии второго напряжения, т.е. U2 = 0, остается схема с инвертирующим включением усилителя (см. рис. 2.14, а), для которого

При отсутствии первого напряжения, т.е. U1 = 0, усилитель должен создать на выходе такое напряжение Uвыx, чтобы потенциалы на инвертирующем и неинвертирующем входах были бы равны. Потенциал на неинвертирующем входе равен:

Потенциал на инвертирующем входе (см. рис. 2.14, б) равен:

Таким образом, Uвых = U2. Если же на обоих входах присутствуют сигналы, то UВЫХ = U2 – U1. Изменяя соотношение сопротивлений в делителях таким образом, чтобы операцию вычитания можно выполнять с коэффициентом а:

Наконец, если во входных цепях инвертирующего и неинвертирующего входов включить схемы, подобные входной схеме суммирующего усилителя и через резисторы подключить параллельно несколько входных напряжений, можно получить схему сложения и вычитания большого числа сигналов:

где Ui – сигналы в цепи неинвертирующего входа; Uj – в цепи инвертирующего входа.

Схемы интегрирования и дифференцирования

Схема интегратора может строиться как на основе инвертирующего, так и на основе неинвертирующего усилителя. На рис. 2.16, а показана схема интегратора на основе инвертирующего усилителя.

В цепи обратной связи вместо резистора включается конденсатор. Как известно, конденсатор заряжается током, который на основании двух допущений (см. рис. 2.14, а) равен:

Как известно из основ электротехники, ток, заряжающий конденсатор, определяется производной от разности напряжений на его обкладках, т.е.:

а учитывая первое допущение (UA = 0):

Приравняв оба выражения для тока Iс, получим:

Интегрируя это выражение, получим:

Таким образом, выходное напряжение схемы пропорционально интегралу от входного напряжения. Значения сопротивления и емкости определяют постоянный коэффициент схемы интегрирования, что можно объяснить и с чисто физических соображений. Чем больше R и С, тем меньше ток, заряжающий конденсатор, и тем больше величина его емкости, поэтому заряд конденсатора, а следовательно и выходное напряжение, будут нарастать медленнее.

Чтобы иметь схему, обеспечивающую вычисление интеграла с высокой степенью точности, используют усилители с малыми входными токами и дрейфом напряжения смещения нуля, высокоточные резисторы и конденсаторы с малыми токами утечки.

Рис. 2.16. Схемы интегрирования (а) и дифференцирования (б)

Поменяв местами сопротивление и конденсатор в интеграторе (см. рис. 2.16, а), получим схему дифференцирования (рис. 2.16, б). Ток конденсатора (с учетом, что UA = 0):

а ток в цепи обратной связи по закону Ома:

Согласно второму допущению эти токи можно считать равными, т.е.:

Таким образом, выходное напряжение в схеме пропорционально первой производной от входного напряжения.

Многие задачи описываются простыми дифференциальными уравнениями. Такие задачи можно решить, реализуя исходное дифференциальное уравнение с помощью аналоговых интегрирующих схем и измеряя установившееся выходное напряжение. Обычное дифференциальное уравнение – это зависимость функции у и ее производных от переменной х. Например, линейное дифференциальное уравнение второго порядка выглядит следующим образом:

Для решения уравнения производят замену переменной х на время t, т.е. х = t/τ. Тогда первая и вторая производные

равны:

Путем таких преобразований дифференциальное уравнение приводится к виду, которое может быть реализовано на основе схем интегрирования:

Интегрируя левую и правую части уравнения, получим:

Выражение, стоящее справа, реализуется с помощью интегратора. Обозначим его выходной сигнал переменой z, тогда:

С использованием переменной z уравнение преобразуется к виду

Проинтегрировав обе части уравнения, получим:

Правая часть этого уравнения, так же как и в предыдущем случае, реализуется с помощью интегратора. Его выходной сигнал соответствует функции -у. Сигнал z поступает с выхода предыдущего интегратора, а сигнал -k1y – через обратную связь с собственного выхода.

Таким образом, для реализации дифференциального уравнения второго порядка требуется два интегратора и один инвертирующий усилитель (рис. 2.17). Инвертирующий усилитель нужен для изменения знака сигнала со второго интегратора, формирующего -у. Выходной сигнал с этого усилителя с коэффициентом k0 подается на вход первого интегратора.

Рис. 2.17. Аналоговая схема решения дифференциального уравнения

Операционные усилители

Операционные усилители – это усилители напряжения, предназначенные для проведения различных математических операций (усиление, ослабление, сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование, логарифмирование, потенцирование, инвертирование) с аналоговыми сигналами, которые выполняются с помощью цепей положительной и отрицательной обратной связи (ОС), в состав которых могут входить резисторы, емкости, индуктивности, диоды, стабилитроны, транзисторы и т.д. Поскольку все эти операции имеют определенную точность, к ОУ предъявляются достаточно высокие требования – его параметры должны как можно ближе соответствовать характеристикам идеального ИНУН с бесконечным коэффициентом усиления К и максимально широкой полосой рабочих частот D w_p, выполненного по дифференциальной схеме (рис. 4.2), согласно которой

(4.1)

Первый ламповый ОУ K2W был разработан в 1942 году (Л.Джули, США), первый транзисторный вариант ОУ Р2, содержащий семь транзисторов, появился в продаже в 1959 году (Р.Малтер, США), а первый интегральный вариант ОУ – mA702, имевший рыночный успех, был разработан Р.Уидларом (США) в 1963 году. С тех пор номенклатура ОУ значительно расширилась и в настоящее время насчитывает сотни наименований, содержащих различное число каскадов и большое количество элементов, однако их базовая структурная схема, состоящая из усилительного, корректирующего и выходного блоков (рис. 4.3а), осталась практически неизменной. Основой ОУ является дифференциальный каскад (К1), для обеспечения устойчивости работы в широкой полосе частот используется коррекция с помощью интегрирующего звена (К2), выходной блок (К3) представляет собой повторитель напряжения (ПН).

Простейшая схема ОУ приведена на рис. 4.3б, где входной дифференциальный каскад (ДК) выполнен на транзисторах Т ₁, Т ₂ с динамической нагрузкой на Т ₃, Т ₄, интегрирующее звено состоит из составного транзистора Т ₅, Т ₆ и корректирующей емкости С_К, выходной ПН образован комплементарной парой Т ₇, Т ₈, в качестве генераторов тока I ₁, I ₂ чаще всего используют токовые зеркала. Анализ этой схемы позволяет выяснить взаимозависимость динамических параметров ОУ, к числу которых относятся предельная частота w_пр, выше которой модуль коэффициента усиления ОУ становится меньше единицы, скорость нарастания выходного сигнала V_вых и, иногда, максимальная частота неискаженной формы гармонического сигнала w_max. Так, например, согласно формуле Эберса–Молла (2.6)

, (4.2)

где I ₁ – коллекторный ток транзисторов дифференциального каскада; – температурный потенциал, для определения К ₂ можно использовать зависимость между током и напряжением в корректирующей емкости С_К – , откуда для гармонического сигнала с частотой w и, соответственно,

. (4.3)

Теперь, с учетом К ₃ = 1, получаем

, (4.4)

т.е. с ростом частоты коэффициент усиления ОУ уменьшается по гиперболическому закону. Согласно (4.4) при w ® 0 коэффициент усиления К ® ¥, однако реально при w = 0 К (0) º К ₀ имеет конечное, хотя и достаточно большое, значение. Наглядно зависимость К (w) обычно представляют графиком амплитудно–частотной характеристики (АЧХ) в логарифмическом масштабе – диаграммой Боде, показанной на рис. 4.4, где К (w) _|дБ = 20 lgK (w), w_П – полоса пропускания ОУ по уровню ,

w_пр – предельная частота ОУ, на которой К (w)» 1. Очевидно, что

, (4.5)

причем, если форма АЧХ соответствует однополюсной модели ОУ, то уменьшение его коэффициента усиления с ростом частоты составляет примерно 20 дБ на декаду, а произведение усиление ´ полоса (ПУП) есть величина постоянная. Иногда в справочных данных на ОУ приводится не w_пр, а время нарастания t_H переходного процесса при единичном усилении, в течение которого U_вых изменяется от до при подаче на вход идеальной ступеньки напряжения. В этом случае полоса пропускания ОУ определяется формулами

[Гц] или [рад]. (4.6)

Скорость нарастания V_вых выходного напряжения ОУ определяется как наибольшая скорость изменения U_вых при подаче на вход прямоугольного импульса с максимально допустимой амплитудой, т.е.

. (4.7)

Значение V_вых зависит от многих факторов: коэффициента усиления ОУ, величины корректирующей емкости С_К, направления изменения U_вых, паразитных параметров и т.п. Так как наименьшая скорость нарастания имеет место при К (w) = 1, именно это значение V_вых приводится в справочниках. Для гармонического сигнала согласно (4.7) нетрудно получить , откуда

или , (4.8)

т.е. до частоты w_max амплитуда неискаженного сигнала на выходе ОУ будет , а с повышением рабочей частоты (w > w _max­) амплитуда неискаженного U_вых будет уменьшаться по гиперболическому закону.

Для примера рассмотрим значения основных параметров ОУ общего применения К140УД7 (аналога зарубежного mА741) при I ₁ = 10 мкА; С_К = 30 пФ; К ₀ = 130 дБ; j_Т» 25 мВ; . Из формул (4.2), (4.5), (4.7), (4.8) следует .

Сравнительные характеристики некоторых типов ОУ приведены в таблице 4.1, где, помимо уже рассмотренных, приведены значения внутренних параметров ОУ, обусловленных технологическим разбросом номиналов компонентов при их изготовлении: U_СМ – напряжение смещения нулевого уровня, равное U_вых при U_{вх 1}= U_{вх 2} (см. (4.1)), D I_вх – разность входных токов, обусловленная неодинаковостью R_вх по инвертирующему и неинвертирующему входам, U_СМ /D Т – температурный коэффициент напряжения смещения нулевого уровня, определяющий стабильность динамического диапазона ОУ при изменении температуры окружающей среды. Анализ данных таблицы 4.1 показывает, что прецизионные ОУ имеют большой коэффициент усиления, малые значения U_СМ и его температурного коэффициента, быстродействующие ОУ отличает широкая полоса пропускания и высокая скорость нарастания выходного напряжения, микромощные ОУ обладают высокой экономичностью и возможностью работать при низких значениях напряжения питания (

1,5 В) и потребляемого тока (

Применение ОУ весьма обширно. Прежде всего это реализация таких математических операций как усиление, сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование, логарифмирование аналоговых сигналов. При этом, как правило, ОУ охватывается петлей отрицательной ОС по инвертирующему входу, причем благодаря поведению ФЧХ самого ОУ в общей форме ФЧХ возникает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг, который на высоких частотах может превысить величину 180°, создав положительную ОС, т.е. возникает возможность самовозбуждения схемы. Для устранения самовозбуждения обычно используют корректирующую емкость С_К достаточного номинала, а устойчивость ОУ характеризуют запасом устойчивости по фазе D j = 360° – j_гр, где j_гр – общий фазовый сдвиг схемы на предельной рабочей частоте. Для получения максимального быстродействия ОУ желательно иметь Dj» 45° ¸ 60°.

Схемы простейших вариантов применения ОУ для выполнения математических операций приведены в таблице 4.2, где при выводе поясняющих соотношений использовался принцип «виртуального» нуля на входах идеального ОУ, поскольку при К ® ¥ конечное значение U_вых (I_вых) может быть только при U_вх (I_вх) ® 0. Так, например, для схемы инвертирующего усилителя (№ 1, табл. 4.2) согласно первому закону Кирхгофа I ₁ + I ₂ = 0, откуда , и соответственно, . Аналогично, для неинвертирующего усилителя (№ 2, табл. 4.2) из условия D U_вх » 0 следует , т.е. . Подобным образом нетрудно получить соотношения (4.11), (4.12) для инвертирующего сумматора и вычитателя (№ 3,4, табл. 4.2). Заметим, что в случае R ₂ = 0 (100%-ная отрицательная ОС) и любом R ₁ ¹ 0 неинвертирующий усилитель превращается в повторитель напряжения с коэффициентом передачи K_U = 1.

Для получения соотношений, описывающих функционирование инвертирующих дифференциатора и интегратора (№ 5,7, табл. 4.2) также

Устройства для выполнения математических операций на основе ОУ

можно воспользоваться вышеизложенным подходом с применением законов Кирхгофа при известных для емкости С зависимостях , однако передаточные функции (4.13), (4.15) легко получить и из выражения (4.9) заменой R ₁ (R ₂) на операторный импеданс емкости .

С учетом идеальности ОУ определяются характеристики устройств при включении в цепи обратной связи ОУ и нелинейных элементов: диодов, стабилитронов, транзисторов и т.п. Так, например, при включении в цепь отрицательной ОС диода образуется схема логарифмирующего усилителя (№ 9, табл. 4.2), для которой при I_вх + I_д = 0, U_вых = U_д, и (уравнение Эберса–Молла при U_д >> j_T) получаем

, (4.17)

где I ₀ – тепловой ток диода. Аналогично можно получить выражение (4.18) для выходного напряжения антилогарифмирующего усилителя (№ 10, табл. 4.2).

Все соотношения для схем таблицы 4.2 были получены в предположении идеальности ОУ, т.е. при К ® ¥, R_вх ® ¥, R_вых ® 0,D w ® ¥, U_СМ » 0, D I_вх» 0, однако характеристики реальных ОУ могут значительно отличаться от предполагаемых, что вызывает отклонение выходных параметров схем на их основе от расчетных значений. Наименее заметным является влияние конечности коэффициента усиления ОУ ввиду его достаточно большой величины (

10 4 ¸ 10 6 , табл. 4.1) и, как правило, присутствию отрицательной ОС (все схемы табл. 4.2). К примеру, коэффициент передачи повторителя напряжения (№ 2, табл. 4.2, при R ₂ = 0) при конечной величине К имеет вид , т.е. погрешность K_U даже при 100%–ном температурном дрейфе К укладывается в сотые доли процента.

Более заметно влияние конечного входного и ненулевого выходного сопротивлений ОУ, особенно если параметры источника входного сигнала и нагрузки далеки от идеальных. Для уменьшения этого эффекта используют как схемотехнические приемы (например, схему Дарлингтона или полевые транзисторы на входах для большего значения R_вх), так и отрицательную ОС, за счет которой величины R_вх и R_вых могут быть улучшены в bК раз, где b – коэффициент передачи цепи ОС. Аналогичные соображения справедливы и для полосы рабочих частот D w, расширение которой также связано с применением ОС.

Наконец наибольшие погрешности выходных параметров схем на ОУ обусловлены отличием от нуля U_СМ, D I_вх и их температурным дрейфом вследствие технологического разброса номиналов элементов ОУ при его изготовлении. Для выравнивания входных токов и начальной компенсации U_СМ в схемах предусматривают балансировочные резисторы одинакового номинала по обоим входам (№№ 4,5,6,7,8 табл. 4.2), а также дополнительные сопротивления R_Э небольшого номинала в эмиттерах входных транзисторов дифференциального каскада (рис. 3.11 а). Это позволяет практически полностью скомпенсировать U_СМ и на порядок снизить величину D I_вх при постоянстве внешних условий, однако для нейтрализации их температурного дрейфа требуется более сложная схемотехника с использованием терморезисторов и нелинейных элементов (диодов, стабилитронов, транзисторов и т.п.). Особенно это касается устройств, выполняющих сложные математические операции – интеграторов, дифференциаторов, логарифматоров и т.п.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Какую математическую операцию над аналоговыми сигналами выполняет усилитель

Операционные усилители в источниках питания – типы и математика работы

Операционные усилители являются важным элементом схемотехники источников питания, прежде всего – в части построения систем обратной связи и регулировки выходного напряжения, тока, мощности, схемы обратной связи по току. Из большого числа типов операционных усилителей в силовой электронике применяются следующие классы ОУ:

— ОУ общего применения (индустриальные LM324, LM358);

— ОУ с однополярным питанием;

— ОУ с широким диапазоном выходного напряжения – усилители так называемого класса rail-to-rail (R2R).

Другие классы ОУ при построении источников питания используются существенно реже. Условное обозначение операционного усилителя представлено на рисунке OPAMP.1.

Рисунок OPAMP.1 — Условное обозначение операционного усилителя

Операционный усилитель – это математический прибор, обеспечивающий выполнение математических операций с аналоговыми сигналами. Отдельный операционный усилитель содержит:

При отсутствии обратной связи напряжение на выходе V_out в математически идеальном ОУ связано с напряжением на входе следующим образом:

V_out – напряжение на выходе ОУ;

V₊ – напряжение на неинвертирующем (+) входе;

V₋ – напряжение на инвертирующем (-) входе;

G_openloop — коэффициент усиления с разомкнутой петлёй обратной связи.

В реальном ОУ максимальное выходное напряжение ограничивается величиной напряжения питания. Режим без обратной связи практически не используется (т.к. он в принципе не нужен), а используются схемы с обратной связью, основными из которых являются:

— схема неинвертирующего усилителя;

— схема инвертирующего усилителя;

— схема дифференциального усилителя.

Основные параметры операционного усилителя

1. Напряжение питания (Supply Voltage) V – напряжение питания операционного усилителя. Обычно указывают минимальный уровень напряжения, при котором еще возможна работа ОУ и максимальное значение между «+» и «-» входами питания выше которого усилитель выходит из строя.

2. Максимальное дифференциальное входное напряжение (Differential Input Voltage) – максимальное напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ.

3. Максимальное входное напряжение (Input Voltage) – максимальное напряжение на любом из входов ОУ.

4. Максимальная рассеваемая мощность (Power Dissipation) – максимальная мощность рассеваемая корпусом ОУ.

5. Входной ток ОУ (Input Current) – величина тока входов операционного усилителя. В ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах выходной ток может зависеть от полярности напряжения: при положительных входных напряжениях он будет незначительным (единицы-десятки мкА), а при отрицательных напряжениях относительно «–» напряжения питания – составлять десятки мА.

6. Напряжение смещения (Input Offset Voltage) – максимальная разность напряжений между «+» и «-» входами ОУ в линейном режиме работы в составе одной из схем с положительной обратной связью. Этот параметр характеризует точность (прецезионность) ОУ.

7. Входной ток смещения, эквивалентный входной ток (Input Bias Current) – входной ток в линейном режиме работы.

8. Разность входных токов (Input Offset Current) – разность между входными токами ОУ.

9. Диапазон входных напряжений (Input Common-Mode Voltage Range) – показывает минимальное и максимальное напряжения на входах ОУ при условии работы в линейном режиме.

10. Потребляемый ток (Supply Current) – ток питания ОУ. Как правило, указывается ток собственного потребления ОУ без нагрузки.

11. Статический коэффициент усиления при большом сигнале (Large Signal Voltage Gain) – показывает отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение изменению разности потенциалов между входами ОУ.

12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (common-mode rejection ratio).

13. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (power supply rejection ratio).

14. Коэффициент связи между ОУ – для нескольких ОУ и одном корпусе (Amplifier-to-Amplifier Coupling).

15. Выходной ток цепи источника питания/цепь стока (Output Current Source/Sink).

Основные схемы включения операционных усилителей

Схема неинвертирующего усилителя

На рисунке OPAMP.2 изображена электрическая схема неинвертирующего усилителя на ОУ и её частный случай — повторитель напряжения. Резисторы R1 и R2 образуют резисторный делитель, обеспечивающий отрицательную обратную связь – часть напряжения с выхода ОУ поступает на инвертирующий вход усилителя. Коэффициент усиления регулируется глубиной обратной связи – коэффициентом деления резисторного делителя. Если же напряжение с выход ОУ напрямую подается на инвертирующий вход, то получается схема повторителя напряжения. Преимуществом схемы неинвертирующего усилителя является высокое входное сопротивление, отсутствие инверсии сигнала.

Рисунок OPAMP.2 — Схема неинвертирующего усилителя (a) и повторителя напряжения (b)

Схема инвертирующего усилителя

На рисунке OPAMP.3 изображена электрическая схема инвертирующего усилителя на ОУ. Здесь отрицательная обратная связь обеспечивается за счет резистора R2 соединенного с выходом микросхемы ОУ.

Недостатками схемы является низкое входное сопротивление, полностью определяемое сопротивлением R1 и инверсия входного сигнала.

Рисунок OPAMP.3 — Схема инвертирующего усилителя

Схема дифференциального усилителя

Схема дифференциального усилителя на ОУ (рисунок OPAMP.4) усиливает разность между входными напряжениями. Входное сопротивление схем определяется резистором R1 для входа 1 и суммой сопротивлений R1’ и R2’ для входа 2. Видно, что в общем случае в данной схеме перестановка входных сигналов местами изменяет результат – выходное напряжение. И лишь при равенстве сопротивлений резисторов:

Выходное напряжение равно:

Рисунок OPAMP.4 — Схема дифференциального усилителя

Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя

Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя представлена на рисунке OPAMP.5. Величина R_L – внутреннего нагрузочного сопротивления, выбирается в разумных пределах исходя из требования, что рабочий ток через него не будет превышать максимальный выходной ток ОУ (как правило, 10-50% от максимального выходного тока). Диоды VD1 и VD2 выбираются одного типа и с максимально близкими вольт-амперными характеристиками.

Рисунок OPAMP.5 — Схема прецизионного двухполупериодного выпрямителя усилителя (единичный коэффициент усиления, R_L – внутренне нагрузочное сопротивление, выбирается в соответствии с параметрами ОУ)

Виртуальный ноль для питания операционных усилителей

В ряде случаев, когда необходимо обеспечить биполярное питание операционного усилителя при наличии только одного источника питания (с двумя выводами – положительным и отрицательным). Наиболее простым решением по созданию виртуального нуля (искусственной средней точки) является использование резисторного делителя (рисунок OPAMP.6) с буферными конденсаторами для сглаживания импульсных нагрузок. Схемы с операционным усилителем обеспечивают четкую фиксацию напряжения средней точки даже при значительном «перекосе фаз» т.е. большой разности токов потребляемых от «плюсового» и от «минусового» выводов. При значительных потребляемых токах можно использовать схему с дополнительным токовым буфером, выполненным на двух комплементарных транзисторах. В схеме можно использовать недорогие и доступные ОУ общего применения, такие как LM324, LM358. Другим преимуществом схемы является меньшее потребление энергии, что важно при питании от гальванических батарей.

Рисунок OPAMP.6. Схемы формирования виртуального нуля (искусственная средняя точка) для питания операционных усилителей