Главная Промышленная автоматика.

5.3. ПРИМЕНЕНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Инвертирующий усилитель

Для того чтобы лучще понять работу цепей отрицательной обратной связи, сначала рассмотрим операционный усилитель как таковой. На фиг. 5.2 показан операционный усилитель, являющийся «идеальным», за исключением того, что он имеет конечный коэффициент усиления по постоянному току без обратной связи Лг,. Если мы хотим, чтобы выходное напряжение приняло уровень Овых, на вход должно быть подано дифференциальное напряжение {V+-V-), равное Свых/Ат,. Так, например.


Фиг. 5.2. Операционный усилитель без обратной связи.

если А-в= 100 000, а желаемое значение г:)вых = +10В, то мы должны приложить между входами напряжение

вых +iob

V.,-V :

100 000

= + 100 мкВдаО.

(5.7)

Можно видеть, что если коэффициент усиления Л очень велик, то дифференциальное напряжение на входе по сравнению cVbux ничтожно мало. Это приводит к простому и очень полезному для анализа правилу.

1. Если между входным и выходным напряжениями в операционном усилителе сохраняется линейное соотношение, то мы можем в первом приближении считать, что дифференциальное входное напряжение есть потенциальный нуль.

Теперь исследуем простую цепь с отрицательной обратной связью - инвертирующий усилитель напряжения, показанный на фиг. 5.3. Предположим, что в данный момент схема находится в устойчивом состоянии и что выходное напряжение Овых есть функция напряжения входного сигнала Vbx-

Для того чтобы удовлетворялось приближение п. 1, &вых должно всегда иметь уровень, который устанавливает V- = 0 при любом значении Овх. Можно видеть, что если Vbx положительно, то Увых должно быть отрицзтельным, с тем чтобы сохранить нулевое F , и наоборот: если Vbx отрицательно, то



1:вых должно быть положительным. Если ток не ответвляется в инверсный вход операционного усилителя, то h = /2; если к то.му же V = О, то можем записать

Рвх Рвых

После перегруппировки имеем ,

Q ВЫХ

где G- - коэффициент усиления усилителя с замкнутой обратной связью.

(5,8)

(5.9)


Фиг. 5.3. Инвертирующий усилитель. . .

С тем чтобы продемонстрировать устойчивость схемы по постоянному току, покажем, что любое произвольное изменение вът будет вызывать сигнал рассогласования для нейтрализации этого изменения. Предположим, что по какой-либо причине Увых пытается измениться в положительном направлении, в то время как Овх остается неизменным. Это будет вызывать положительное изменение V-, которое будет пытаться изменить вых в отрицательном направлении до тех пор, пока V- снова не достигнет О В. Поскольку тенденция к отрицательному изменению Увых будет корректироваться соответствующим образом, схема является устойчивой, по крайней мере по постоянному току.

Уравнение (5.9) показывает, что усиление схемы определяется отнощением двух внешних резисторов, и иллюстрирует очень важное для большинства применений операционных усилителей свойство.

2. Характеристика схемы с замкнутой петлей обратной связи определяется е основном величинами компонентов в цепи



обратной связи, если коэффициент усиления операционного усилителя Л„ очень велик, а другие источники ошибки очень малы.

Это правило является очень мощным инструментом для разработчика систем, поскольку можно допустить изменение в широких пределах параметров операционного усилителя, таких, как, например, коэффициент усиления без обратной связи с пренебрежимо малым влиянием на характеристику с обратной овязью.

Неинвертирующий усилитель

На фиг. »5.4, а представлена схема, в которой сигнал на выходе имеет ту же полярность, что и входной сигнал. Схема на фиг. 5.4, б иллюстрирует подобие инвертирующего и неинверти-рующего включений усилителя. Заметим, что вход и точка заземления здесь просто меняются местами. Схема на фиг. 5.4, в показывает работу цепи обратной связи в качестве делителя напряжения. Используя факт деления напряжения, получаем, что напряжение, подаваемое обратно на вход У , равно

- = -еь.- (5-10)

Из уравнения (5.7) имеем

V iVv, (5.11)

поэтому можно написать

(5.12)

где С+ - коэффициент усиления по напряжению в неинверти-рующей схеме с обратной связью.

Важным соображением при таком типе включения обратной связи является то, что напряжение, подаваемое обратно на вход V , стремится быть как можно ближе к входному напряжению вх. Кроме того, Увых будет принимать любой уровень, который необходим для установления V- = ьх.

Отметим некоторую разницу в выражениях для коэффициента усиления с обратной связью инвертирующего усилителя [G из уравнения (5.9)] по отношению к неинвертирующему [G+ из уравнения (5.12)]. Она часто вызывает удивление, поскольку оба включения идентичны, за исключением точки ввода входного сигнала. Это различие возникает потому, что в инвертирующем включении 1 и Rf образуют делитель напряжения как для сигнала обратной связи, так и для входного сигнала, в TQ время как в неинвентирующей схеме делитель





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 [53] 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144

0.0036