Внешняя компенсация сдвига.

Задание.

1. Уметь начертить схемы основные схемы включения ОУ.

- Неинвертирующий усилитель

- Инвертирующий усилитель

2.Знать расчёт схем.

3. Изучить внешнюю компенсацию сдвига.

Широкое практическое использование ОУ в аналоговых схемах основывается главным образом на применении в них различного рода внешних ОС, чему способствует большое значение коэффициента усиления К_оу, а также высокое входное и малое выходное сопротивление ОУ. Высокие качества параметров современных интегральных ОУ позволяют без внесения заметной погрешности при расчете схем на ОУ принимать К_uоу , К_Iоу и R_вх.оу .

Основными схемами на ОУ являются инвертирующий и неинвертирующийусилители, режим работы которых осуществляется в пределах линейного участка передаточной характеристики. Также весьма важны схемы компенсации напряжения сдвига.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Неинвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.11).

Рис. 1.11

 

Данная схема позволяет использовать в качестве неинвертирующего усилителя ОУ, схема обладает высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R₁ и R_ос.

В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.

Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R_ос и поданную на инвертирующий вход.

Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей является высокое полное входное сопротивление ОУ.

Сопротивления R₁ и R_ос образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой, так как ток, необходимый для управления усилителем, очень мал (I_см >> 0).

Поэтому через R₁ и R_ос течет одинаковый ток и напряжение, приложенное к инвертирующему входу, равно:

U_вх.инв = U_выхR₁/R₁+R_ос

Так как IR₁ = IR_ос, R_вх , имеем

IR₁ = UR₁/R₁, IR_ос = UR_ос/R_ос, U_вх.инв = U_вх + U_q,

поэтому

IR₁ = (U_вх + U_q)/R₁, IR_x = (U_вых - (U_вх + U_q)) / R_ос

Следовательно:

(U_вх + U_q) / R₁ = (U_вых - (U_вх + U_q)) / R_ос

Так как

U_вых = KU_q и U_q = U_вых / K,

то если K , U_q >>0, можно написать

U_вх / R₁ = (U_вых - U_вх) / R_ос

Найдем отсюда коэффициент усиления схемы U_вых / U_вх, который называют коэффициентом усиления с замкнутой ОС (Kос), или коэффициентом усиления замкнутого усилителя, т.е.

U_вхR_ос = R₁U_вых - R₁U_вх

U_вх(R_ос + R₁) = R₁U_вых

(R_ос + R₁) / R₁ = U_вых / U_вх = К_ос

К_ос = R_ос / R₁ +1, когда К>>К_ос.

Сопротивления R₁ + R_ос следует выбирать так, чтобы общий ток нагрузки с учетом этого сопротивления не превышал максимального выходного тока усиления.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.12)

Рис. 1.12

 

Входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R_ос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R₁на инвертирующий вход ОУ.

Благодаря высокому коэффициенту усиления усилителя без ОС для изменения выходного напряжения усилителя во всем рабочем диапазоне достаточно весьма малого значения Uз (обычно U_вых.max < U_и.п.).

Если на схему подать положительное входное напряжение U_вх, то U_q станет положительным и выходной потенциал начнет снижаться. Выходное напряжение будет меняться в отрицательном направлении до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе в точке А не станет почти нулевым: U_q = U_вых / Kоу >> 0.

Таким образом, R₁ и R_ос действует как делитель напряжения между U_вых и U_вх и U_вых / U_вх = R_ос / R₁.

Точка А называется потенциально заземленной, поскольку потенциал почти равен потенциалу Земли,так как U_q >> 0.

Если принять R_вх.оу и входной ток ОУ I_оу = 0, то

IR₁ = (U_вх - U_q) / R₁ и IR₁ = - (U_вых - U_q) / R_ос,

следовательно

(U_вх - U_q) / R₁ = - (U_вых - U_q) / R_ос.

Полагая,что U_q >> 0 и К , запишем

Uвх/R₁ = U_вых/R_ос, К_ос = U_вых/U_вх = - R_ос/R₁

Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего каскада ОУ зависит только от параметров внешней цепи и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Обычно R₁ выбирается так, чтобы не нагружать источник напряжения U_вх, а R_ос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.

Если выбрать R_ос = R₁, когда К_uос = - 1, то схема (рис. 1.12) получит свойства инвертирующего повторителя напряжения(инвертор сигнала).

Поскольку U_q 0, входное сопротивление схемы R_вх = R₁, выходное сопротивление усилителя:

R_вых = ((R_вых оу (1+R_ос/R₁)) / К_u,оу

При К_u,оу , R_вых 0.

Внешняя компенсация сдвига.

Некоторые усилители имеют встроенные регулировочные элементы для устранения сдвига. В усилителях, которые не имеют внутренних средств для устранения нуля U_сдв, приходится добавлять внешнюю резисторную цепь для компенсации напряжения сдвига.

В схеме на (рис. 1.13), хотя I_см и невелик, но он все же существует и, если даже U_сдв равно нулю, I_см, протекая через параллельное соединение сопротивлений R₁ и R_ос, вызовет появление на выходе напряжения U_{сдв.вых} (I_см), равного I_см(R₁ || R_ос).

Поскольку ток смещения неинвертирующего входа I_см2 (рис. 1.14) приблизительно равен току смещения, протекающему через инвертирующий вход (I_см1), то, подключив в цепь неинвертирующего входа сопротивление R_к, равное R₁ || R_ос, получим напряжение, возникающее на R_к, приблизительно равное напряжению смещения по инвертирующему входу от I_см1 (R₁ || R_ос).

Рис. 1.13

 

Рис. 1.14

 

Для компенсации U_сдв, вызванного небалансом U_бэ, следует установить делитель, с помощью которого можно было бы компенсировать даже U_сдв._max, не изменяя коэффициент передачи цепи обратной связи.

Схема установки нуля напряжения сдвига (потенциометр R_п) показана на (рис. 1.15).

Рис. 1.15

 

В этой схеме R₃ + R₂ = R_к - это условие компенсации напряжения сдвига выхода, вызванного токами смещения. Сопротивление R₄ выбирается так, чтобы параллельное соединение R₃ и R₄, было примерно равно R₃. Это означает, что R₃выбирается малым, а R₄ - большим. Диапазон регулировки напряжения сдвига приблизительно равен ± U R₃/R₄, так как R₄>>R₃. Потенциометр R_п должен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы не нагружать источник питания, но вместе с тем, ток через потенциометр должен быть по крайней мере в 20 - 40 раз больше I_см, так как R₃ и R₄ образуют делитель напряжения.

Компенсация U_сдв в неинвертирующем усилителе осуществляется аналогично, однако делитель напряжения устанавливается в цепи ОС, так что очень важно, чтобы R₄ было много больше R₃ (рис. 1.16).

Рис. 1.16

 

Заметим, что R₁ = R₃ + R₅, и эта сумма используется в выражении для определения коэффициента усиления усилителя с ОС. Сопротивления R_п и R₄выбираются точно так же, как и для инвертирующего усилителя.