Операционный усилитель. Дифференцирующий усилитель на ОУ. Нелинейные функциональные преобразователи. Усилители-ограничители. Счетчики с недвоичным коэффициентом деления

1. 

Операционный усилитель

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем однако свойства и параметры обычного усилителя определяются его схемой, а свойства ОУ определяется преимущественно параметрами цепи ОС.

ОУ выполняется по схеме усилителя постоянного тока с 0-значениями напряжения смешения и выходного напряжения. Характеризуется:

·  Высоким входным сопротивлением

·  Низким выходным сопротивлением

·  Высоким коэффициентом усиления

·  Как правило, содержит несколько усилительных каскадов, из которых первый дифференциальный, а последний двухтактный

Идеальный ОУ:

Гладкие АЧХ и ФЧХ

 

Параметры ОУ

·  і_вх – средний входной ток – среднее арифметическое значение токов инвертирующего и неинвертирующего входов при . Падение напряжения на внешних элементах входного тока приводит к погрешности.

•  при

Параметр говорит на сколько велика нессиметрия входного каскада.

Если  то погрешность может быть уменьшена.

·  R_вх сопротивление со стороны одного из входов, в то время, когда второй заземлён.

·  R_вых

·  М_сф – коэффициент ослабления синфазного сигнала

               60..100 дБ

·  Граничная частота коэффициента передачи – частота, на которой коэффициент усиления равен 1.

·  Максимальная скорость нарастания входного напряжения. Измеряется при подаче на вход ОУ импульсов прямоугольной формы.

Температурные свойства

Все параметры ОУ зависят от температуры

· 

· 

· 

2. 

Масштабные усилители на ОУ

Инвертирующий усилитель

Т. к. , то

Т. к. , то

                 

Неинвертирующий усилитель

Точность ОУ

Погрешности усилителей определяются неточностью резисторов и неидеальностью ОУ

                       

Относительная мультипликативная погрешность усилителя, вызванная неточностью резисторов равна разности относительных погрешностей этих резисторов.

Для снижения погрешности следует применять точные резисторы с одинаковыми относительными погрешностями.

Погрешность от

Погрешности, вызванные ЭДС смещения и входными токами.

При , то можно было бы скомпенсировать погрешности входных токов при

Т. к.  то остаётся погрешность от разности входных токов

 при

Поскольку при настройке усилителей погрешность может быть уменьшена до 0, а затем появиться из-за температурного дрейфа

Для увеличения точности следует уменьшить сопротивление резисторов

То входные токи почти не будут влиять на аддитивную погрешность

3.  Интегратор на ОУ.

Наиболее важные значения для аналоговых вычислений имеет применение операционных усилителей для реализации операций интегрирования.

1.  На вход интегратора подается постоянное напряжение 

     2. На вход интегратора подается напряжение , то на выходе получается 

Основные составляющие ошибок интегрирования обусловлены напряжением смещения и входными токами.

При ЭДС смещения равном 0, входные токи протекают через конденсатор заряжая его. Если не инвертирующий вход заземлен через резистор , то на погрешность будет влиять только разность входных токов.

4.  Дифференцирующий усилитель на ОУ.

Рассмотрим выходное напряжение как сумму 2-х составляющих, одна из которых обусловлена сигналом U1, а другая – U2.

Если выполняется условие , то мы получаем из этой схемы дифференциальный усилитель, у которого выходное напряжение определяется выражением: .

Для подавления погрешности от входных токов следует  и .

Недостатком простейшего дифференциального усилителя на операционном усилителе является низкое входное сопротивление (к тому же еще и разное) и трудность регулирования коэффициента усиления. Для того, чтобы менять коэффициент усиления необходимо, чтобы  и .

Усовершенствованный дифференциальный усилитель называется инструментальным. Такие усилители имеют высокое входное сопротивление по обоим входам, и позволяют регулировать коэффициент усиления одним резистором.

Если , то .

5.  Решение дифференциальных уравнений с помощью операционных усилителей.

Дополнительно.

6.  Нелинейные функциональные преобразователи. Усилители-ограничители.

Часто возникает необходимость сформировать такое напряжение U₂, которое было бы функцией напряжения U₁. Например: U₂=-cosU₁ или U₂=U₁².

Для реализации таких зависимостей могут быть использованы физические эффекты, которые описываются такими же зависимостями, либо используют кусочно-линейную аппроксимацию.

Если в цепи ООС установить диод, можно сказать, что операционный усилитель преобразует что , тогда напряжение выхода составит .

Такая схема будет иметь большой температурный дрейф и малый диапазон входного сигнала.

Лучшие характеристики имеет схема логарифмирующего усилителя с транзистором в цепи с ООС.

Применяя в цепи обратной связи параллельно резистору обратной связи цепи, состоящие из диодов и стабилитронов можно получить различные варианты усилителей–ограничителей, в том числе и несимметричных.

 для возможности обеспечения разного уровня стабилизации. Если одну из ветвей убрать, то ли +U_ст (1-ая ветвь убирается) или -U_ст (2-ая ветвь убирается) будет максимальным.