Практическое применение операционных усилителей. Часть первая.
Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты
практического применения операционных усилителей в повседневной жизни
радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие
теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же
обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит
столкнуться в дальнейшем.
Итак - операционный усилитель. Далее будем
называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На
принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:
На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ - два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже - у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ - Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов - зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.
Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три
- можно назвать их ТриО (или ООО - кому как нравится): Очень высокое
сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более),
Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ
называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на
буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ - как
быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на
входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот
параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку,
если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным
напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения.
У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала
от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать
значения 1000В/мксек.
Оценить - подходит ли тот или иной ОУ для ваших
целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:
где, fmax - частота синусоидального сигнала, Vmax -
скорость нарастания сигнала, Uвых - максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост - приступим к главной
задаче этого опуса - куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и
что из этого можно получить.
Первая схема включения ОУ - инвертирующий усилитель.
Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя
на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий
вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется
соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:
Почему "минус"? Потому что, как мы помним, в инвертирующем
усилителе фаза выходного сигнала "зеркальна" фазе входного.
Входное
сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление,
например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.
Следующая схема - инвертирующий усилитель с повышенным
входным сопротивлением.
Предыдущая схема всем хороша, за
исключением одного нюанса - соотношение входного сопротивления и
коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо
специфического проекта. Ведь что получается - допустим, нам нужен
усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны
быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное
сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях
недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:
В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:
То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.
Едем дальше - неинвертирующий усилитель.
Выглядит
он следующим образом:
Коэффициент усиления определяется так:
В данном случае, как видите, никаких минусов нет - фаза
сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от
инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении,
которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы
в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с
предыдущими каскадами по постоянному току - установить разделительный
конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор
сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.
Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.
Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.
Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая
может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка
переменного резистора R3.
Тогда коэффициент усиления можно определить
так:
K=2A-1
Входное сопротивление практически не зависит от
положения движка переменного резистора.
Так, с усилителями разобрались
- дальше у нас по плану - фильтры .
Источник: www.radiokot.ru