Масштабные усилители на базе операционных усилителей

 

Часто необходимо иметь УПТ со строго определенным коэффициентом усиления. Так, сигнал тензодатчика должен быть усилен в нужное число раз (промасштабирован) достаточно точно, чтобы погрешность измерения не превзошла заданные рамки. В подобных случаях однозначно применяют ОУ.

Для расчета схем на ОУ с ОС примем ОУ идеальным, полагая К _уu ® ¥. Это означает, что  D u _вх= 0 (даже бесконечно малое изменение дифференциального входного сигнала вызовет конечное приращение выходного).

При этом также   R _вх0 ® ¥, т.е. I _вх1 = I _вх2 = 0.

Рассмотрим две схемы масштабных усилителей на ОУ:

1. Инвертирующий масштабный усилитель (рис. 2.16).

Неинвертирующий вход ОУ соединен с общей точкой, поэтому его потенциал j ₊ = 0. Так как D u _вх= 0, то потенциал инвертирующего входа j _– = 0. Поэтому точку 1 называют «виртуальной» или «искусственной землей».

Мы допустили, что входные токи равны нулю: I _вх= 0, тогда i ₂ = i ₁ или, выражая равенство через входное и выходное напряжения, получим

, откуда ,

K_U = u_вых / u_вх = – R2 / R1.

Знак «–» означает, что полярность выходного напряжения u _вых противоположна полярности входного u _вх (отсюда и название «инвертирующий»). Коэффициент усиления K_U такого усилителя определяется лишь соотношением сопротивлений резисторов R1, R2 и не зависит от K _уu.

Очевидно, что входное сопротивление усилителя R _вх = R1.

2. Неинвертирующий масштабный усилитель (рис. 2.17).

Так как D u = 0, то ,

.

Коэффициент усиления напряжения также определяется соотношением сопротивлений резисторов R1 и R2. Кроме того, полярность выходного напряжения совпадает с полярностью входного (отсюда название усилителя).

Отличительная особенность неинвертирующего масштабного усилителя – высокое входное сопротивление: R _вх = R _{в х 0}(1 + K _уu / K_U).

Если на инвертирующий вход подать полностью все напряжение u_вых, что соответствует R2 = 0, то получится повторитель напряжения (K_U = 1). Его применяют тогда, когда требуется получить высокое входное сопротивление и/или минимальное выходное, т.е. как эмиттерный повторитель.  Если включить конденсатор вместо резистора R2 (рис 2.18 ,б), то получится интегрирующий усилитель, а вместо резистора R1 – дифференцирующий усилитель.

Пример 1. Для типовой схемы включения операционного усилителя в масштабном преобразователе (рис.2.18,а) определить сопротивление резисторов R₁,R₂ и R₃, если K_u = 100 и R_н = 10 кОм, R_вх = 50 кОм, R_вых = 1 кОм, R_г = 100 Ом.

Рис 2.18. Схемы включения операционных усилителей: а – в масштабном

преобразователе, б – в интегрирующем каскаде, в – графики входного

и выходного сигналов

    Р е ш е н и е.Для получения высокой стабильности коэффициента усиления сопротивление R₁ выбирают из условия R_г << R₁ << R_вх, поэтому

R₁ = 2 кОм. При R₂ >> R_вых коэффициент усиления определяется по формуле K_u = R₂/R_1., поэтому R2 = 100∙2 = 200 кОм. Эквивалентное сопротивление нагрузки усилителя         R'_н ≈ R_н R₂/(R_н + R₂) должно быть больше R_вых. В нашем случае R'_н = 9,5 кОм >> R_вых Для симметричного ОУ необходимо, чтобы

    Пример 2. На вход интегрирующего каскада, схема которого приведена на рисунке 2.18, б, подаётся напряжение u_вх(t) (кривая 1 на рисунке 2.18,в) от источника с внутренним сопротивлением R_г = 1 кОм. Рассчитать сопротивления R₁ и R₂ и ёмкость конденсатора С. Найти зависимость u_вых(t). Входное сопротивление усилителя R_вх = 50 кОм.

  Р е ш е н и е. Для того, чтобы постоянная времени интегрирующего каскада мало зависела от сопротивления R_г источника сигнала u_вх(t), необходимо выполнение условия R₁ >> R_г, т.е. R₁ >> 1 кОм. Работа усилителя будет устойчивой, если R₂ << R_вх, т.е. R₂ << 50 кОм, но для баланса каскадов усилителя по постоянному току требуется, чтобы R₁ = R₂. поэтому выбираем R₁ = R₂ = 20 кОм. Период напряжения u_вых(t) составляет 0,01 с. Для уменьшения погрешности интегрирования нужно, чтобы τ >>T. Выбираем τ = 1,0 с.

Тогда С = τ/ R₁ = 1/20000 =50∙10^-6 Ф=50 мкФ. Зависимость u_вых(t)=  u_вх dt при u_вх(0) = 0 изображена на рис. 2.18, в, (кривая 2). Наибольшее напряжение u_вых(Т/2) =TU_{вх m}/2τ =50 мВ.

Генераторы сигналов

Генератор сигналов (ГС) – электронное устройство, формирующее периодически изменяющееся напряжение заданной амплитуды, частоты и формы.

Если ГС работает без приложения дополнительного периодического сигнала, то его называют автогенератором, в противном случае – ГС с независимым возбуждением. Последний представляет собой избирательный усилитель мощности, на вход которого подается сигнал от маломощного автогенератора (например, генератор кадровой развертки мониторов и телевизоров).