«Дифференциальные и операционные усилители» (стр. 8 из 9)
Токоограничивающие резисторы R1, R2, R3 показанные на схеме рис.19а, уменьшают размах выходного напряжения и по этой причине не используются в новых схемных разработках.
Более эффективное ограничение возможно при замене ограничительного резистора нелинейным устройством, как показано на рис.19б. При малых выходных токах величина напряжения, падающего на резисторах R1, R2, также мала. Диоды VD1-VD4 не проводят ток, а транзисторы VT3, VT4, получающие смещение от общего резистора R3, открыты. При коротком замыкании выхода или перегрузке положительной полярности напряжение на базе транзистора VT3ограничено диодами VD1, VD2 и транзистор VT3 закрывается; а VT1 открывается. Тоже самое происходит и при отрицательном возбуждении. Справа на схеме б) показана возможная замена диодов транзисторами. Шунтирующие конденсаторы препятствуют увеличению входной емкости токового бустера за счет эффекта Миллера.
На рис.19е показаны различные модификации ограничения выходного тока в эмиттерной цепи. В первом случае применена пара включенных встречно-параллельно диодов VD3, VD4. В отсутствие нагрузки падение напряжения на этих диодах практически отсутствует, и они не проводят ток. Выходной ток положительной полярности вызывает падение напряжения на резисторе R1 которое смещает диод VD3 в прямом, а VD4 в обратном направлении. При чрезмерно большой нагрузке выхода диоды VD1 и VD3 пропускают ток I прямо на выход, в обход базы транзистора VT1.
Выходной ток короткого замыкания отрицательной полярности ограничивается аналогичным образом. Однако при этой полярности точка короткою замыкания выхода через диоды VD4, VD2 оказывается соединенной с коллектором транзистора T, который нагружает входные цепи. Полная схема защиты от короткого замыкания включает малое сопротивление R4 и транзистор VT4
При подключении ограничивающих диодов VD3, VD4 номинальный ток выхода возрастает в два раза без уменьшения эмиттерных резисторов R.
В третьем случае ограничивающие диоды заменены транзисторами VT3, VT4.
Схема на рис.19г представляет собой комбинацию предыдущих. Ток выхода положительной полярности ограничивается действием транзистора VT3 и резистора R3, а отрицательной полярности за счет прямосмещенного коллекторного перехода транзистора VT3, диодов VD1, VD2 и резистора R. Отрицательная обратная связь, осуществляемая резистором R4, устраняется за счет следящей обратной связи, подаваемой на токовый инвертор входного каскада с эмиттера выходного транзистора VT.
На рис.19д этот резистор обратной связи исключен, и ток транзисторов VT2 и VТ ограничен контуром ОС через резистор R4 н транзистор VT4; устойчивость этого контура довольно мала. Несколько поправить положение может уменьшение коэффициента передачи контура за счет введения диода VT5.
Крутой и температурно-стабильный перегиб характеристики ограничения присущ схеме на рис.19ж.
 |
а) б)
 |
в)
Рис.19
г) д)
е) ж)
Рис.19
3. ОУ с внешними цепями ОС
3.1 Суммирующее устройство
Для суммирования нескольких напряжений можно применить операционный усилитель в инвертирующем включении. Входные напряжения через добавочные резисторы подаются на N-вход усилителя (рис. 20). Поскольку эта точка являетсявиртуальным нулем, то на основании правила узлов получим следующее соотношение для выходного напряжения схемы:
U1/R1+U2/R2+...+Un/Rn+Uвых/R=0
Uвых=-(U1*R/R1+U2*R/R2+...+Un*R/Rn)
Отсюда следует, что сумматор на ОУ для каждого входа имеет свой коэффициент усиления.
Рис.20
Инвертирующий сумматор может быть также использован как усилитель с широким диапазоном изменения нулевой точки. Для этого на один из входов схемы подают постоянное напряжение.
3.2 Инвертирующий масштабный усилитель
При наличии отрицательной обратной связи с выхода на инвертирующий вход в случае идеального усилителя дифференциальное входное напряжение стремится к нулю. Это явление, называемое эффектом кажущейся земли, позволяет использовать инвертирующий вход в качестве токового суммирующего узла, что, в свою очередь, создает многочисленные полезные схемные конфигурации усилителей и упрощает анализ схем.
Рис.21
Схема инвертирующего ОУ показана на рис.21. Для идеального усилителя дифференциальное входное напряжение Uвх становится равным нулю и сравнивает инвертирующий вход с потенциалом земли из-за отрицательной обратной связи через резистор R2. Токи через резисторы можно определить по формулам
I1=Uвх/R1
I2=-Uвых/R2
Поскольку усилитель считается идеальным, входное сопротивление равно бесконечности, и в инвертирующий вход не поступает ток. По этой причине токи I1, I2 должны быть равны. После приравнивания правых частей обоих формул и решения относительно коэффициента усиления при замкнутой петле обратной связи получим
K=Uвых/Uвх=-R2/R1
Отсюда можно заключить, что коэффициент усиления схемы идеального инвертирующего усилителя равен отношению сопротивлений двух резисторов и не зависит от самого усилителя.
Входное полное сопротивление равно R1, а выходное равно нулю.
Если оба резистора равны, то получается инвертер напряжения, т.к. коэффициент усиления становится равным -1.
3.3 Неинвертирующий масштабный усилитель
Рассмотрим теперь ОУ в неинвертирующем включении согласно схеме на рис.22. Благодаря отрицательной обратной связи дифференциальное входное напряжение Uвх стремится к нулю, в результате чего напряжение на резисторе R1 будет равно Uвх. Поскольку резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, выходное напряжение должно быть равно
Uвых=UR1(R1+R2)/R1=Uвх(R1+R2)/R1
что можно также переписать в виде
K=Uвых/Uвх=1+R2/R1
Рис.22
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя задается отношением сопротивлений двух резисторов плюс 1. Входное сопротивление равно бесконечности, а выходное —нулю.
Рис.23
Если взять специальный случай, когда сопротивление резистора R1, равно бесконечности, а R2 — нулю, то получается схема повторителя напряжения (рис. 23). Здесь коэффициент усиления равен единице, входное сопротивление бесконечно большое, а выходное равно нулю. Эта схема реализует те же буферные функции, что и катодный или эмиттерный повторитель.
3.4 Вычитающее устройство
Во многих применениях приходится усиливать сигналы, поступающие от источников дифференциального типа (различные датчики). Часто при этом присутствует и синфазный сигнал
(т. е. на обеих сторонах такого источника существует общий относительно земли сигнал в виде постоянного смещения или паразитных наводок переменного напряжения). Если усилитель работает в дифференциальном режиме, т. е. выходной сигнал его является функцией разности двух входных напряжений, то любой общий (синфазный) сигнал автоматически подавляется.
На рис.24 приведена схема дифференциального усилителя. Если R2/R1=R4/R3, то коэффициент усиления дифференциального сигнала при замкнутой обратной связи равен
Kд=Uвых/(U2-U1)= R2/R1=R4/R3
 |
Рис.24
Если отношение R2/R1 точно равно отношению R4/R3, то схема полностью сбалансирована и синфазное напряжение Uc полностью подавляется. Однако на практике полного баланса достичь не удается, в результате чего небольшая часть синфазного сигнала появляется на выходе. Эта часть увеличивается еще и за счет конечности коэффициента подавления синфазного сигнала усилителя.
Для минимизации постоянного смещения необходимо, чтобы параллельное соединение резисторов R1 и R2 было равно параллельному соединению резисторов R3 и R4 Можно также добавить установку нулевого смещения, если усилитель снабжен такой регулировкой.
3.5 Суммирующе-вычитающее устройство
Такое устройство получается объединением сумматора и разностного усилителя. Также как в сумматоре и разностном усилителе для каждого входного напряжения существует свой коэффициент усиления, причем напряжения на неинвертирующем входе имеют положительные коэффициенты усиления, а на инвертирующем — отрицательные.
Uвых=∑KnUn-∑KmUm
Рис.25
3.6 Интегрирующее устройство
Рис.26