18-05-2023
В статье описаны некоторые типовые применения интегральных операционных усилителей (ОУ) в аналоговой схемотехнике. На рисунках использованы упрощенные схемотехнические обозначения, поэтому следует помнить, что несущественные детали (соединения с цепями питания, выбор ОУ в пределах одного корпуса) опущены.
Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка кОм. Использование резисторов с сопротивление менее 1 кОм нежелательно[1], так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий выход ОУ. Резисторы более 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов смещения.
Примечание: математические выражения, приведенные в статье, получены в предположении о том, что операционные усилители являются идеальными. Для практического использования приведенных примеров следует ознакомиться с более подробным их описанием. Смотри разделы список литературы и ссылки.
Данная схема предназначена для получения разности двух напряжений, при этом каждое из них предварительно умножается на некоторую константу (константы определяются резисторами).
В случае, когда и , имеем:
Инвертирует и усиливает напряжение (то есть умножает напряжение на отрицательную константу).
Если Rin = 0, то схема реализует собой линейный преобразователь ток-напряжение. Входное сопротивление такой схемы определяется коэффициентом усиления реального ОУ и сопротивлением обратной связи по формуле: , где KA - коэффициент усиления операционного усилителя. Выходное напряжение получается по формуле:
Усиливает напряжение (умножает напряжение на константу, большую единицы)
Используется как буферный усилитель, для исключения влияния низкоомной нагрузки на источник с высоким выходным сопротивлением.
Суммирует (с весом) несколько напряжений. Сумма на выходе инвертирована, то есть все веса отрицательны.
Интегрирует (инвертированный) входной сигнал по времени.
где и — функции времени, — выходное напряжение интегратора в момент времени t = 0.
Эти проблемы можно частично решить введением резистора с большим сопротивлением RF, шунтирующего конденсатор. На достаточно высоких частотах f >> 1/RFC влияние этого сопротивления пренебрежимо мало; при этом на низких частотах, где существенны проблемы ненулевого смещения и дрейфа, резистор обеспечивает необходимую обратную связь по постоянному току. Он снижает усиление интегратора по постоянному току от, формально говоря, бесконечности до конечного значения RF/R.
Дифференцирует (инвертированный) входной сигнал по времени.
где и — функции времени.
Сравнивает два напряжения и выдает на выходе одно из двух состояний в зависимости от того, какое из входных напряжений больше.
Измерительный усилитель, также называемый инструментальным усилителем (англ. instrumentation(al) amplifier), принципиально не отличается от дифференциального усилителя, однако обладает очень высоким входным сопротивлением, высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала, низким напряжением смещения.
Компаратор с гистерезисом.
Имитирует индуктивность.
Преобразователь отрицательного сопротивления (англ. Negative impedance converter) имитирует резистор с отрицательным сопротивлением.
Ведет себя подобно идеальному диоду для нагрузки, которая здесь представлена в виде обыкновенного резистора .
При замкнутом выключателе конденсатор разряжается и выходное напряжение падает до нуля. Когда выключатель разомкнут в течение определенного времени, емкость заряжается до максимального входного напряжения.
Время заряда конденсатора должно быть значительно меньше периода наибольшей частоты входного сигнала.
где - ток насыщения.
где - ток, протекающий через диод. Как известно, отношение между током и напряжением для диода:
Когда напряжение больше нуля, эта формула может быть преобразована в:
Рассмотрение этих двух формул вместе и предположение, что выходное напряжение является обратным по отношению к напряжению на диоде, является доказательством формулы.
Учтите, что расчеты не учитывают температурную стабильность и другие эффекты, присущие реальным устройствам.
Применение операционных усилителей.