Конденсатор в цепи обратной связи операционного усилителя. Новостной и аналитический портал "время электроники"

Микросхемы ОУ в абсолютном большинстве случая используются с цепями обратных связей. Чаще всего используют отрицательные обратные связи, но в некоторых случаях и положительные.

2.2.1. Микросхемы оу с цепями отрицательных обратных связей

Как было показано в разделе 2.1, охват усилителя отрицательной обратной связью позволяет существенно повысить стабильность коэффициента усиления. Это тем более важно, поскольку коэффициент усиления ОУ без обратной связи при изменении температуры может изменяться в очень широких пределах. Например, коэффициент усиления ОУ MC1556G (фирма Motorola) при t = 25 ◦ C равен приt = -50 ◦ C его величина уменьшается до
, а приt = 100 ◦ C – увеличивается до
. Использование отрицательной обратной связи позволяет существенно уменьшить нестабильность коэффициента усиления. Действительно, если необходим усилитель с коэффициентом усиления равным 100 (приt = 25 ◦ C), то используя микросхему MC1556G из формулы (2.1) получаем:

.

Отсюда
.

Подставляя в (2.1) значение К при t = 100 ◦ C, равное
, получаем:

.

Таким образом, коэффициент усиления с введением отрицательной обратной связи за счет изменения коэффициента усиления без обратной изменился всего на 0,02059%.

Очень близкий к этому результату можно получить, если учесть, что нестабильность коэффициента усиления усилителя с обратной связью, обусловленная нестабильностью коэффициента усиления без обратной связи, уменьшается в фактор обратной связи раз. Относительную нестабильность коэффициента усиления без обратной связи можно определить по формуле:

или
%.

Фактор обратной связи F необходимо рассчитать, учитывая, что он увеличился с ростом температуры, но полагая, что К ос практически не изменяется и остается равным 100.

Отсюда
или
.

С учетом, что
, получаем
в %:
%.

Сравнив с полученным ранее результатом
%, отметим, что погрешность, полученная при расчете по приближенным формулам по второму методу, отличается от погрешности, полученной по точным формулам, всего на 0,0087421%. Таким образом, нестабильность
можно рассчитывать по приближенным формулам, учитывая, что
.

Большое значение фактора обратной связи, получаемое при использование микросхем ОУ, позволяет при расчетах применять упрощенную формулу для расчета
. Действительно, если в формуле
учесть, что
и
, то получим
.

Таким образом, коэффициент усиления усилителя с отрицательной обратной связью определяется только цепью обратной связи. Справедливость условия
становиться очевидным, если считать операционный усилитель идеальным (
). Именно это обстоятельство позволило при расчете усилителей на основе ОУ использовать принцип “мнимой земли”.

Проиллюстрируем использование этого принципа на основе усилителя – инвертора, выполненного на микросхеме ОУ (рис 2.5) .

Рис. 2.5. Схема усилителя-инвертора на ОУ

В приведенной схеме ОУ охвачен отрицательной параллельной обратной связью по напряжению. Связь отрицательная потому, что, если Uг положительное, то Uвых отрицательное, что уменьшает напряжение на входе ОУ. Связь параллельная, поскольку по отношению к входам ОУ генератор Uг и сигнал обратной связи включены параллельно. Обратная связь по напряжению, т.к. сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению.

Учитывая, что U ВЫХ = KU ВХ, а U ВЫХ не может быть больше, чем +E и меньше, чем –E, его величину можно считать конечной. Отсюда для идеального ОУ (
), получаем
, т.е. потенциал на инвертирующем входе равен 0. Именно поэтому в названии принципа используется слово “земля”. (В абсолютном большинстве электронных устройств есть общая шина, которая обычно действительно соединяется с землей). Однако “земля” на инвертирующем входе ОУ является “мнимой” или “виртуальной”. Действительно, если генератор напряжения Uг, одна клемма которого заземлена, присоединить к какому-то резистору с сопротивлением R, а вторую клемму резистора присоединить к "земле", то от генератора через резистор R в "землю" потечет ток
. В нашем случае (рис. 2.5) от источника напряженияUг тоже потечет ток I, равный , но этот ток потечет не в "землю" (или общую шину), а в цепь обратной связи ОУ. Отсюда
и
.

Следует отметить, что ток I или любая его часть не могут пойти на вход ОУ, т.к. учитывая, что у идеального ОУ
, это создало бы на входе ОУ напряжение равное.

Можно сформулировать условия, при выполнении которых можно использовать принцип “мнимой земли”:

ОУ является идеальным;

ОУ охвачен отрицательной обратной связью;

ОУ не выходит из линейного режима, т.е. его амплитудную характеристику можно считать линейной.

Рассмотрим другие цепи ОУ с отрицательной обратной связью, используя принцип “мнимой земли”.

Инвертирующий усилитель-сумматор.

Схема инвертирующего усилителя-сумматора на ОУ приведена на рис. 2.6.

Принцип работы схемы аналогичен принципу работы инвертирующего усилителя на ОУ. В данном случае ток в цепи обратной связи I 0 является суммой токов от входных генераторов напряжения U 1 , U 2 ,…, U n:

.

Рис. 2.6. Схема инвертирующего усилителя-сумматора на ОУ

В свою очередь каждый из указанных токов, согласно принципу “мнимой земли” (Uвх = 0), равен:

…,

Положим, что
. В этом случае
.

Ток , протекая по сопротивлению, создает напряжениеUвых:

.

Таким образом, при
схема не только суммирует и инвертирует сигналы, но и их усиливает. При этом напряженияU 1 , U 2 ,…, U n могут быть не только положительными, но и отрицательными.

Неинвертирующий усилитель.

Схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис. 2.7. В схеме ОУ охвачен отрицательной последовательной обратной связью по напряжению.

Рис. 2.7. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ

Связь отрицательная потому, что, если напряжение генератора положительное и подается на неинвертирующий вход, то напряжение на выходе будет так же положительно, но через цепь обратной связи R 2 ̶ R 1 оно подается на инвертирующий вход, уменьшая напряжение, действующее между входами ОУ. Связь последовательная, т.к. генератор напряжения и сигнал обратной связи подключаются ко входам ОУ последовательно. Обратная связь по напряжению, т.к. сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению.

В приведенной схеме напряжение между входами ОУ, согласно принципу “мнимой земли”, также должно быть равно нулю: Uвх = 0. Отсюда следует, что напряжение на инвертирующем входе, так же как и напряжение на неинвертирующем входе, равно Uг. Следовательно, по сопротивлению течет токI = Этот токI протекает по сопротивлению обратной связи и создает напряжение на выходеU ВЫХ.

Таким образом, ток I можно выразить через Uг и Uвых:

.

Отсюда коэффициент усиления с обратной связью
равен:

.

Если положить в схеме (рис. 2.7)
, а
, то
. Такая схема называется повторителем напряжения. Схема приведена на рис. 2.8.

Рис.2.8. Схема повторителя напряжения

Поскольку все выходное напряжение подается на вход ОУ, связь считается 100-процентной.

Неинвертирующий усилитель-сумматор.

Схема неинвертирующего усилителя-сумматора на ОУ приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема неинвертирующего усилителя-сумматора на ОУ

Для определения напряжения на выходе схемы Uвых необходимо прежде всего определить напряжение на неинвертирующем входе U 0 . При этом учтем, что ток в ОУ через неинвертирующий вход втекать не может (
). Следовательно, по первому закону Киргофа можно записать:
.

Каждый из токов от источников напряжения U 1 , U 2 ,…, U n можно выразить следующими формулами:

…,

Таким образом

.

Положим, что
. Отсюда

и
.

В результате, учитывая, что напряжение усиливается неинвертирующим усилителем в () раз, получаем:

.

Дифференциальный усилитель.

Дифференциальным усилителем называется усилитель, усиливающий разность входных сигналов.

Схема дифференциального усилителя на ОУ приведена на рис. 2.10. Для определения U ВЫХ целесообразно воспользоваться методом наложений (методом суперпозиций).

Рис. 2.10. Схема дифференциального усилителя на ОУ

Метод наложений (суперпозиций) состоит в том, что напряжение или ток в любой части линейной схемы, содержащей источники напряжения и тока, можно найти, определяя необходимые напряжение или ток от одного из источников напряжения или тока. При этом все другие источники напряжения замыкаются, а источники тока исключаются из схемы. Так определяются напряжение или ток от каждого источника. Затем полученные результаты суммируются.

Найдем выходное напряжение в схеме дифференциального усилителя, сначала учитывая напряжение , а затем напряжение. В первом случае, замыкая, получаем схему на рис. 2.11а. Учитывая, что входной ток идеального ОУ равен нулю, можно считать, что напряжениена неинвертирующем входе равно нулю. Следовательно, напряжение на инвертирующем входе также равно нулю. Это означает, что приведенная на рис. 2.11а схема эквивалентна схеме инвертирующего усилителя, т.е.
.

Во втором случае, замыкая , получим схему, приведенную на рис. 2.11б. Для определения
необходимо определить. С учетом, что входное сопротивление ОУ равно, получаем

.

Напряжение усиливается неинвертирующим усилителем в (1+m) раз. Отсюда

Рис. 2.11. Схемы для определения выходного напряжения дифференциального усилителя по методу наложений

Таким образом, , т.е. на выходе усилителя получаем усиленную вm раз разность входных напряжений и.

Преобразователь тока в напряжение.

В случае, если ток источника тока необходимо преобразовать в напряжение, то можно этот ток пропустить через сопротивление и получить напряжение (схема приведена на рис. 2.12). Однако такое техническое решение в целом ряде случаев оказывается неприемлемым по следующим причинам:

Рис. 2.12. Схема простейшего преобразователя тока в напряжение

Выходное сопротивление такого источника напряжения, преобразованного из источника тока, оказывается чрезмерно большим, поскольку
и при маломI для получения необходимого
следует выбрать большоеR. Следовательно, при необходимости возможного дальнейшего усиления
, требуется усилитель с очень большим входным сопротивлением;

Напряжение
, возникающее на сопротивленииR, может препятствовать нормальному функционированию источника тока I, если в качестве такого источника используется какой-либо датчик. Действительно, при изменении тока I на выходе датчика будет изменяться напряжение, что может привести к нелинейной зависимости тока датчика I от какого-либо физического параметра.

С целью исключения этих неблагоприятных факторов можно использовать схему преобразователя, выполненного на ОУ (рис. 2.13)

В данном случае ОУ охвачен отрицательной параллельной 100-процентной обратной связью по напряжению.

С учетом принципа “мнимой земли” выходное напряжение
будет равно:
, т.е.
получается равным по модулю выходному напряжению в схеме на рис. 2.12. Однако в приведенной схеме на ОУ напряжение на выходных клеммах источника тока будет всегда равно нулю, выходное сопротивление источника напряжения за счет отрицательной обратной связи по напряжению также будет близко к нулю.

Рис. 2.13. Схема преобразователя ток-напряжение, выполненная на ОУ

Кроме того, параллельная отрицательная обратная связь уменьшает входное сопротивление в (1+К) раз, где К – коэффициент усиления усилителя без обратной связи. Действительно, с учетом коэффициента усиления получаем следующие уравнения:

, I ОС =

.

Учитывая, что
, получаем

.

Поскольку входное сопротивление ОУ достаточно велико, то с большой уверенностью можно считать, что R ВХ ∙(1+К)>˃R, т.е.

.

Преобразователь напряжения в ток.

Необходимо осуществить такое преобразование, при котором ток не зависел бы от сопротивления нагрузки (при простом подключении к источнику напряжения
сопротивления нагрузки ток будет равен, т.е. будет зависеть от сопротивления нагрузки). С помощью ОУ можно сделать так, чтобы ток не зависел от сопротивления нагрузки. Схема преобразователя напряжения в ток приведена на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Схема преобразователя напряжения в ток

Согласно принципу “мнимой земли”, учитывая, что усилитель охвачен отрицательной обратной связью,
. Отсюда ток в сопротивленииR будет равен . Этот ток не может течь от инвертирующего входа ОУ, а будет течь с выхода ОУ. При этом от сопротивления
он не будет зависеть, если напряжение
не выйдет за пределы линейной амплитудной характеристики ОУ.

Стабилизатор напряжения на основе ОУ.

Стабилизировать напряжение можно, используя опорные диоды (стабилитроны). Однако схема стабилизатора на стабилитроне и одном резисторе, приведенная на рис. 2.15., обладает рядом существенных недостатков:

Рис. 2.15. Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

Указанные недостатки стабилизатора напряжения можно исправить, если использовать операционный усилитель. Схема стабилизатора напряжения с использованием ОУ в качестве усилителя-регулятора приведена на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Стабилизатор напряжения с использованием

усилителя-регулятора на ОУ

Напряжение со стабилитрона подается на неинвертирующий вход усилителя с регулируемым с помощью переменного резистора коэффициентом усиления:
.

Приведенная схема имеет следующие достоинства:

Логарифмический усилитель.

Схема логарифмического усилителя на ОУ приведена на рис. 2.17.

Рис. 2.17. Схема усилителя-логарифматора на ОУ

Операционный усилитель охвачен отрицательной обратной связью и поэтому можно использовать принцип “мнимой земли”, т.е.
. Следовательно
.

Ток I протекает по диоду, причем p-n переход смещен в прямом направлении. Ток диода определяется следующей формулой:

,

где - ток неосновных носителей,- напряжение на диоде,
- температурный потенциал,k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, q – заряд электрона.

При t = 20 ◦ C можно считать, что
. При условии U Д >> T , т.е. U Д >>25mB формула для упрощается:

или
.

Логарифмируя, получаем
.

Напряжение на диоде равно напряжению на выходе ОУ со знаком минусом:
. Таким образом, получаем

Антилогарифмический усилитель.

Схему антилогарифмического усилителя можно получить из схемы усилителя логарифматора, если поменять местами резистор и диод. Схема антилогарифмического усилителя приведена на рис. 2.18.

Используем принцип “мнимой земли”. Получаем, что
и
. Как и для логарифмического усилителя положим, что
.

Рис. 2.18. Схема антилогарифмического усилителя

Следовательно,
. Ток диода, протекая по сопротивлению обратной связиR, создает на выходе ОУ отрицательное напряжение
, т.е.
.

Учитывая, что U д =U г, получим U ВЫХ = I 0 ∙R∙.

Интегратор на ОУ.

Схема интегратора на ОУ, производящего интегрирование по времени входного напряжения
, приведена на рис. 2.19.

Рис. 2.19. Схема интегратора на ОУ

В схеме ОУ охвачен отрицательной обратной связью лишь по переменному току. По этой причине в реальном случае, т.е. при использовании любых микросхем ОУ при
на выходе ОУ устанавливается напряжение, близкое либо к
, либо
. Следовательно, на практике нужно принимать меры, чтобы удержать ОУ в линейном режиме. Это можно сделать, либо вводя дополнительную отрицательную обратную связь по постоянному току, например, шунтированием конденсатора С резистором с большим сопротивлением
, либо используя периодическую установку напряжения на выходе равным нулю, например, периодически закорачивая конденсатор электронным ключом Кл.

Рассмотрим работу интегратора, полагая, что ОУ идеальный и работает в линейном режиме. В этом случае согласно принципу “мнимой земли” напряжение на инвертирующем входе равно нулю (
). По этой причине выходное напряжение равно напряжению на конденсаторе. В свою очередь, напряжение на конденсаторе
равно заряду на конденсаторе, деленному на емкость конденсатора
. А заряд на конденсаторе равен интегралу по времени от тока, идущего на заряд конденсатора. Таким образом
и
.

Учитывая, что ток
, получаем

U ВЫХ = U C =
.

При условии, что
, имеем
, т.е. линейно изменяющееся во времени напряжение.

Положим, что на вход схемы подается синусоидальное напряжение
. В этом случае можно найти выходное напряжение, взяв интеграл от
. Однако можно сделать проще, полагая, что интегратор по переменному тогу представляет собой усилитель-инвертор, в цепь обратной связи которой включен конденсатор с сопротивлением по переменному току, равному. Отсюда
.

Дифференциатор на ОУ.

Схема дифференциатора на ОУ, осуществляющего получение на выходе напряжения, пропорционального производной по времени от входного напряжения, приведена на рис. 2.20.

Рис. 2.20. Схема дифференциатора на ОУ

Схема охвачена 100-процентной отрицательной обратной связью. По этой причине ОУ в схеме всегда будет в линейном режиме, т.е. при расчете
можно использовать принцип “мнимой земли” (
). Отсюда получаем U ВЫХ =I C ∙R.. Известно, что ток , идущий на зарядку конденсатора, равен
, где напряжение на конденсаторе
равно
. Следовательно, получаем

.

При подаче на вход дифференциатора напряжения
также как и в случае интегратора, можно рассматривать схему как усилитель-инвертор с конденсатором на входе, включенном вместо резистора. При этом
.

Селективный RC -усилитель на ОУ.

Селективный усилитель предназначен для усиления входного сигнала на одной частоте и подавления сигналов на всех других частотах. АЧХ селективного усилителя приведена на рис. 2.21.

Рис. 2.21. АЧХ селективного усилителя на ОУ

Селективный усилитель характеризуется следующими параметрами: частотой резонанса, на которой коэффициент усиления достигает максимального значения - , коэффициентом усиления на резонансной частоте -
, добротностью, определяемой как отношение резонансной частоты к разности частот ∆ω, на которых модуль коэффициента усиления на резонансной частоте уменьшается в
раз.

Схема селективного RC-усилителя с частотно -зависимой цепью отрицательной обратной связи приведена на рис. 2.22.

Рис. 2.22. Схема селективного RC-усилителя

В схеме присутствует 100-процентная отрицательная обратная связь по постоянному току, осуществляемая через резистор . Следовательно, ОУ будет всегда находиться в линейном режиме и можно использовать принцип “мнимой земли” (
). Условно положим, что входное напряжение положительно. Тогда токи, протекающие по отдельным участкам цепи обратной связи:,,I 2 имеют направление, указанное на рис. 2.22. Учтем, что I=I 1 +I 2 . Сопротивления конденсаторов С 1 и С 2 синусоидальному току обозначим Z 1 и Z 2 , и положим, что Z 1 =Z 2 =Z.

Выразим токи ,ичерез напряженияU г, U 1 и U вых:

;
;
.

Из равенства токов в узле с напряжениями U 1 , получаем:

.

Отсюда, учитывая, что
получаем:

Модуль коэффициента усиления равен:

.

Дифференцируя по ω и приравнивая производную нулю,

можно показать, что
имеет максимум на частоте:

.

.

Полагая, что на частотах и
уменьшается в
раз, получаем уравнение

.

Решая это уравнение, находим:

,

..

Отсюда
и
. Отметим, что при
и

=0.

Основные параметры селективного усилителя можно определить и по более простым формулам, известных из теории активных фильтров . Для этого в формуле K ОС произведем замену
на операторp. Получим

где
,
,
,
.

Из теории фильтров известно, что

,
,
= .

Отсюда
,
,
.

Если использовать полученные из операторного выражения
формулы, то очевидно, что определить основные параметры селективного усилителя можно гораздо проще, чем используя символический метод.

Большинство граждан этого виртуального города пришли сюда вместе с желанием сделать хороший усилитель.
Некоторые скажут, что лучше сделать ламповый усилитель... Но это не простейшее решение. Нужны довольно дефицитные запчасти - лампы, выходной трансформатор...
Другие им ответят: "Зачем лампы? Микросхемные или транзисторные усилители гораздо компактнее и мощнее! Ну и пусть звук у них не так хорош..."
И ведь все будут правы. Это уже дело вкуса и возможностей каждого.
Вот для второй категории граждан я и решил написать данную статейку;)

На этой схеме Вы видите простейшую схему включения усилителя мощности, которая используется в подавляющем большинстве современных усилителей.
Звук бубнящий, смазанный и неприятный. В особенности, при использовании ширпотребных китайских запчастей.
Но могу уверить Вас, что и без серьезных доработок можно заставить эту схему звучать!

Начну с небольшого лирического отступления.
Есть у меня друг. Так же, как и я, слегка повернутый на звуке, правда с электроникой не связывается.
Так вот, не раз он хвалил звучание моего усилителя. Хоть и сделан он был еще на заре моего увлечения звуком. Работал в классе В (со всеми присущими этому классу недостатками).

Единственным отличием в схеме была ООС по току. Что не говори, однажды услышав этот звук, отказаться от него я уже не смог!
И уговорил меня однажды этот друг переделать его Вегу 50У по тому же принципу.

В результате, я был жутко доволен, а хозяин этого чуда советских инженеров в шоке Такого чистого и насыщенного звука от этого усилителя не ожидали ни он, ни я:) Работает он уже 5 лет. Благополучно скушал уже 2 комплекта S90 (любит он побольше баса ) и по сей день радует ухо владельца

К чему я всё это? Да просто убеждаю вас в том, что стоит хотя бы раз послушать подобный усилитель...

А еще, этот же друг дал мне попользоваться колонками SVEN, пока я переделываю свой усилитель.
Всё бы ничего, да не устраивал меня их звук...
Поэтому решил, без какого-либо на то разрешения, поиздеваться над ними

Усилитель в них построен по стандартной схеме на двух микросхемах .
Посмотрел даташит. Упрощенная схема включения этой МС приведена в начале статьи.
Доработка. на самом деле, простейшая! И по себестоимости не превышает 10р на канал!

На резисторе R4 создается падение напряжение, прямо пропорцианальное току, проходящему через динамик. Это напряжение через конденсаторы C3 и C4 подается на инвертирующий вход усилителя. Конденсаторы включенные таким образом создают неполярный конденсатор с емкостью в двое меньше, т.е., 110мкФ. нужно это для того, чтобы не покупать дорогие неполярные конденсаторы.

А если добавить к этой схеме выключатель...

То можно ощутить различия в звучании стандартной схемы и схемы с ООС по току. Правда нужно будет подобрать резистор R3 так, чтобы громкость в обоих режимах была примерно одинаковой.

В сущности, получается практически ламповый усилитель (во всяком случае, по звуку, да не проклянут меня любители ламповых усилителей! ). Ведь ламповый усилитель, не охваченый петлей ОС и является усилителем тока (напряжение на управляющей сетке регулирует ток катода).

Модернизировать таким образом можно любой усилитель. Хоть транзисторный, хоть микросхемный. Исключением будет только мостовой - там схема значительно усложнится.
В общем, очень советую хотя бы попробовать

Сравнение лучше проводить на записях хора. После переделки можно не напрягаясь отделить голоса поющих друг от друга, а не слушать их в каше, как на обычном усилителе. Или на инструментальной музыке...
Например, Gregorian , Hilary Stagg или, что есть у всех, Ария - Беспечный ангел (вступление, гитарный перебор).
(могу скинуть их в хорошем качестве. кому нужно - стучитесь в аську)

Дополнение :
Во избежание возникновения однотипных вопросов, решил ввести дополнение в эту статью...

Применяемость:
Данная схема может быть полноценно реализована только в немостовом усилителе с двуполярным питанием .
Динамик в таких усилителях подключается одним выводом к выходу усилителя, а другим - к общему проводу, без разделительных конденсаторов.

Мощность дополнительного резистора:
Мощность резистора вычисляется довольно просто:
Из физики мы знаем, что P=U*I
Напряжение на резисторе примерно равно Ur = Uд*(Rr/Rд), где Uд - напряжение на динамике, Rr -сопротивление резистора, Rд - сопротивление динамика.
Ток через резистор и динамик равны.
Соответственно, Pr=Pвых*(Rr/Rд).
В идеале советую брать резистор вдвое большей мощности Pr=2*Pвых*(Rr/Rд), чтобы достичь максимальной надежности (т.к. сопротивление обмотки динамика на некоторых частотах становится значительно меньше ее сопротивления постоянному току).

Соответственно, для мощности усилителя 20 Вт и сопротивлении динамика 4 Ом мощность резистора должна составлять 1 Вт. А для динамика с сопротивлением 8 Ом при той же мощности достаточно резистора мощностью 0.5 Вт.

Операционные усилители часто используются для выполнения различных операций: суммирования сигналов, дифференцирования, интегрирования, инвертирования и т. д. А также операционные усилители были разработаны как усовершенствованные
балансные схемы усиления.

Операционный усилитель – универсальный функциональный элемент, широко используемый в современных схемах формирования и преобразования информационных сигналов различного назначения как в аналоговой, так и в цифровой технике. Давайте далее рассмотрим виды усилителей.

Инвертирующий усилитель

Рассмотрим схему простого инвертирующего усилителя:

а) падение напряжения на резисторе R2 равно Uвых,

б) падение напряжения на резисторе R1 равно Uвх.

Uвых/R2 = -Uвх/R1, или коэффициент усиления по напряжению = Uвых/Uвх = R2/R1.

Для того чтобы понять, как работает обратная связь, представим себе, что на вход подан некоторый уровень напряжения, скажем 1 В. Для конкретизации допустим, что резистор R1 имеет сопротивление 10 кОм, а резистор R2 — 100 кОм. Теперь представим себе, что напряжение на выходе решило выйти из повиновения и стало равно 0 В. Что произойдет? Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0,91 В. Операционный усилитель фиксирует рассогласование по входам, и напряжение на его выходе начинает уменьшаться. Изменение продолжается до тех пор, пока выходное напряжение не достигнет значения -10 В, в этот момент потенциалы входов ОУ станут одинаковыми и равными потенциалу земли. Аналогично, если напряжение на выходе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем -10 В, то потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти.

Недостаток этой схемы состоит в том, что она обладает малым входным импедансом, особенно для усилителей с большим коэффициентом усиления по напряжению (при замкнутой цепи ОС), в которых резистор R1, как правило, бывает небольшим. Этот недостаток устраняет схема, представленная ниже, на рис. 4.

Неинвертирующий усилитель. Усилитель постоянного тока.

Рассмотрим схему на рис. 4. Анализ ее крайне прост: UA = Uвх. Напряжение UA снимается с делителя напряжения: UA = Uвых R1 / (R1 + R2). Если UA = Uвх, то коэффициент усиления = Uвых / Uвх = 1 + R2 / R1. Это неинвертирующий усилитель. В приближении, которым мы воспользуемся, входной импеданс этого усилителя бесконечен (для ОУ типа 411 он составляет 1012 Ом и больше, для ОУ на биполярных транзисторах обычно превышает 108 Ом). Выходной импеданс, как и в предыдущем случае, равен долям ома. Если, как в случае с инвертирующим усилителем, мы внимательно рассмотрим поведение схемы при изменении напряжения на входах, то увидим, что она работает, как обещано.

Усилитель переменного тока

Схема выше также представляет собой усилитель постоянного тока. Если источник сигнала и усилитель связаны между собой по переменному току, то для входного тока (очень небольшого по величине) нужно предусмотреть заземление, как показано на рис. 5. Для представленных на схеме величин компонентов коэффициент усиления по напряжению равен 10, а точке -3 дБ соответствует частота 16 Гц.

Усилитель переменного тока. Если усиливаются только сигналы переменного тока, то можно уменьшить коэффициент усиления для сигналов постоянного тока до единицы, особенно если усилитель обладает большим коэффициентом усиления по напряжению. Это позволяет уменьшить влияние всегда существующего конечного «приведенного ко входу напряжения сдвига».

Для схемы, представленной на рис. 6, точке -3 дБ соответствует частота 17 Гц; на этой частоте импеданс конденсатора равен 2,0 кОм. Обратите внимание, что конденсатор должен быть большим. Если для построения усилителя переменного тока использовать неинвертирующий усилитель с большим усилением, то конденсатор может оказаться чрезмерно большим. В этом случае лучше обойтись без конденсатора и настроить напряжение сдвига так, чтобы оно было равно нулю. Можно воспользоваться другим методом — увеличить сопротивления резисторов R1 и R2 и использовать T-образную схему делителя.

Несмотря на высокий входной импеданс, к которому всегда стремятся разработчики, схеме неинвертирующего усилителя не всегда отдают предпочтение перед схемой инвертирующего усилителя. Как мы увидим в дальнейшем, инвертирующий усилитель не предъявляет столь высоких требований к ОУ и, следовательно, обладает несколько лучшими характеристиками. Кроме того, благодаря мнимому заземлению удобно комбинировать сигналы без их взаимного влияния друг на друга. И наконец, если рассматриваемая схема подключена к выходу (стабильному) другого ОУ, то величина входного импеданса для вас безразлична — это может быть 10 кОм или бесконечность, так как в любом случае предыдущий каскад будет выполнять свои функции по отношению к последующему.

Повторитель

На рис. 7 представлен повторитель, подобный эммитерному, на основе операционного усилителя.

Он представляет собой не что иное, как неинвертирующий усилитель, в котором сопротивление резистора R1 равно бесконечности, а сопротивление резистора R2 — нулю (коэффициент усиления = 1). Существуют специальные операционные усилители, предназначенные для использования только в качестве повторителей, они обладают улучшенными характеристиками (в основном более высоким быстродействием), примером такого операционного усилителя является схема типа LM310 или OPA633, а также схемы упрощенного типа, например схема типа TL068 (она выпускается в транзисторном корпусе с тремя выводами).

Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным импедансом и малым выходным).

Основные предостережения при работе с ОУ

1. Правила справедливы для любого операционного усилителя при условии, что он находится в активном режиме, т.е. его входы и выходы не перегружены.

Например, если подать на вход усилителя чересчур большой сигнал, то это приведет к тому, что выходной сигнал будет срезаться вблизи уровня UКК или UЭЭ. В то время когда напряжение на выходе оказывается фиксированным на уровне напряжения среза, напряжение на входах не может не изменяться. Размах напряжения на выходе операционного усилителя не может быть больше диапазона напряжения питания (обычно размах меньше диапазона питания на 2 В, хотя в некоторых ОУ размах выходного напряжения ограничен одним или другим напряжением питания). Аналогичное ограничение накладывается на выходной диапазон устойчивости источника тока на основе операционного усилителя. Например, в источнике тока с плавающей нагрузкой максимальное падение напряжения на нагрузке при «нормальном» направлении тока (направление тока совпадает с направлением приложенного напряжения) составляет UКК — Uвх, а при обратном направлении тока (нагрузка в таком случае может быть довольно странной, например, она может содержать переполюсованные батареи для получения прямого тока заряда или может быть индуктивной и работать с токами, меняющими направление) -Uвх — UЭЭ.

2. Обратная связь должна быть отрицательной. Это означает (помимо всего прочего), что нельзя путать инвертирующий и неинвертирующий входы.

3. В схеме операционного усилителя обязательно должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному току, в противном случае операционный усилитель обязательно попадет в режим насыщения.

4. Многие операционные усилители имеют довольно малое предельно допустимое дифференциальное входное напряжение. Максимальная разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами может быть ограничена величиной 5 В для любой полярности напряжения. Если пренебречь этим условием, то возникнут большие входные токи, которые приведут к ухудшению характеристик или даже к разрушению операционного усилителя.

Понятие «обратная связь» (ОС) относится к числу распространенных, оно давно вышло за рамки узкой области техники и употребляется сейчас в широком смысле. В системах управления обратная связь используется для сравнения выходного сигнала с заданным значением и выполнения соответствующей коррекции. В качестве «системы» может выступать что угодно, например процесс управления движущимся по дороге автомобилем — за выходными данными (положением машиты и ее скоростью) следит водитель, который сравнивает их с ожидаемыми значениями и соответственно корректирует входные данные (с помощью руля, переключателя скоростей, тормоза). В усилительной схеме выходной сигнал должен быть кратен входному, поэтому в усилителе с обратной связью входной сигнал сравнивается с определенной частью выходного сигнала.

Всё об обратной связи

Отрицательная обратная связь — это процесс передачи выходного сигнала обратно на вход, при котором погашается часть входного сигнала. Может показаться, что это глупая затея, которая приведет лишь к уменьшению коэффициента усиления. Именно такой отзыв получил Гарольд С. Блэк, который в 1928 г. попытался запатентовать отрицательную обратную связь. «К нашему изопрелению отнеслись так же, как к вечному двигателю» (журнал IEEE Spectrum за декабрь 1977 г.). Действительно, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но при этом она улучшает другие параметры схемы, например устраняет искажения и нелинейность, сглаживает частотную характеристику (приводит ее в соответствие с нужной характеристикой), делает поведение схемы предсказуемым. Чем глубже отрицательная обратная связь, тем меньше внешние характеристики усилителя зависят от характеристик усилителя с разомкнутой обратной связью (без ОС), и в конечном счете оказывается, что они зависят только от свойств самой схемы ОС. Операционные усилители обычно используют в режиме глубокой обратной связи, а коэффициент усиления по напряжению в разомкнутой петле ОС (без ОС) достигает в этих схемах миллиона.

Цепь ОС может быть частотно-зависимой, тогда коэффициент усиления будет определенным образом зависеть от частоты (примером может служить предусилитель звуковых частот в проигрывателе со стандартом RIAA); если же цепь ОС является амплитудно-зависимой, то усилитель обладает нелинейной характеристикой (распространенным примером такой схемы служит логарифмический усилитель, в котором в цепи ОС используется логарифмическая зависимость напряжения UБЭ от тока IК в диоде или транзисторе). Обратную связь можно использовать для формирования источника тока (выходной импеданс близок к бесконечности) или источника напряжения (выходной импеданс близок к нулю), с ее помощью можно получить очень большое или очень малое входное сопротивление. Вообще говоря, тот параметр, по которому вводится обратная связь, с ее помощью улучшается. Например, если для обратной связи использовать сигнал, пропорциональный выходному току, то получим хороший источник тока.

Обратная связь может быть и положительной; ее используют, например в генераторах. Как ни странно, она не столь полезна, как отрицательная ОС. Скорее она связана с неприятностями, так как в схеме с отрицательной ОС на высокой частоте могут возникать достаточно большие сдвиги по фазе, приводящие к возникновению положительной ОС и нежелательным автоколебаниям. Для того чтобы эти явления возникли, не нужно прикладывать большие усилия, а вот для предотвращения нежелательных автоколебаний прибегают к методам коррекции.

Операционные усилители

В большинстве случаев, рассматривая схемы с обратной связью, мы будем иметь дело с операционными усилителями. Операционный усилитель (ОУ) — это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления и несимметричным входом. Прообразом ОУ может служить классический дифференциальный усилитель с двумя входами и несимметричным выходом; правда, следует отметить, что реальные операционные усилители обладают значительно более высокими коэффициентами усиления (обычно порядка 105 — 106) и меньшими выходными импедансами, а также допускают изменение выходного сигнала почти в полном диапазоне питающего напряжения (обычно используют расщепленные источники питания ±15 В).

Символы «+» и «-» не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме используется отрицательная ОС). Во избежание путаницы лучше называть входы «инвертирующий» и «неинвертирующий», а не вход «плюс» и вход «минус». На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи. Конечно, при более подробном изучении должно оказаться, что такое обобщенное заключение справедливо не всегда. Начнем мы с того, что просто рассмотрим, как работает операционный усилитель, а затем по мере необходимости будем изучать его более тщательно.

Промышленность выпускает буквально сотни типов операционных усилителей, которые обладают различными преимуществами друг перед другом. Повсеместное распространение получила очень хорошая схема типа LF411 (или просто «411»), представленная на рынок фирмой National Semiconductor. Как и все операционные усилители, она представляет собой крошечный элемент, размещенный в миниатюрном корпусе с двухрядным расположением выводов мини-DIP. Эта схема недорога и удобна в обращении; промышленность выпускает улучшенный вариант этой схемы (LF411A), а также элемент, размещенный в миниатюрном корпусе и содержащий два независимых операционных усилителя (схема типа LF412, которую называют также «сдвоенный» операционный усилитель). Рекомендуем вам схему LF411 в качестве хорошей начальной ступени в разработке электронных схем.

Схема типа 411 — это кристалл кремния, содержащий 24 транзистора (21 биполярный транзистор, 3 полевых транзистора, 11 резисторов и 1 конденсатор). На рис. 2 показано соединение с выводами корпуса.

Точка на крышке корпуса и выемка на его торце служат для обозначения точки отсчета при нумерации выводов. В большинстве корпусов электронных схем нумерация выводов осуществляется в направлении против часовой стрелки со стороны крышки корпуса. Выводы «установка нуля» (или «баланс», «регулировка») служат для устранения небольшой асимметрии, возможной в операционном усилителе.

Важные правила

Сейчас мы познакомимся с важнейшими правилами, которые определяют поведение операционного усилителя, охваченного петлей обратной связи. Они справедливы почти для всех случаев жизни.

Во-первых, операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому не будем рассматривать это небольшое напряжение, а сформулируем правило I:

I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю.

Во-вторых, операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток (ОУ типа LF411 потребляет 0,2 нА; ОУ со входами на полевых транзисторах — порядка пикоампер); не вдаваясь в более глубокие подробности, сформулируем правило II:

II. Входы операционного усилителя ток не потребляют.

Здесь необходимо дать пояснение: правило I не означает, что операционный усилитель действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно. (Это было бы не совместимо с правилом II.) Операционный усилитель «оценивает» состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами становится равной нулю (если это возможно).

Эти правила создают достаточную основу для рассмотрения схем на операционных усилителях.

Дорога в десять тысяч ли начинается с первого шага.
(китайская пословица)

Дело было вечером, делать было нечего… И так вдруг захотелось спаять что-нибудь. Этакое… Электронное!.. Спаять - так спаять. Компьютер имеется, Интернет подключен. Выбираем схему. И вдруг оказывается, что схем для задуманного сабжа - вагон и маленькая тележка. И все разные. Опыта нет, знаний маловато. Какую выбрать? Некоторые из них содержат какие-то прямоугольнички, треугольнички. Усилители, да еще и операционные… Как они работают - непонятно. Стра-а-ашно!.. А вдруг сгорит? Выбираем, что попроще, на знакомых транзисторах! Выбрали, спаяли, включили… HELP!!! Не работает!!! Почему?

Да потому, что «Простота - хуже воровства»! Это как компьютер: самый быстрый и навороченный - игровой! А для офисной работы достаточно и самого простого. Так же и с транзисторами. Спаять на них схему мало. Надо еще уметь её настроить. Слишком много «подводных камней» и «граблей». А для этого зачастую требуется опыт отнюдь не начального уровня. Так что же, бросать увлекательное занятие? Отнюдь! Просто не надо бояться этих «треугольничков-прямоугольничков». С ними работать, оказывается, во многих случаях намного проще, чем с отдельными транзисторами. ЕСЛИ ЗНАТЬ - КАК!

Вот этим: пониманием, как работает операционный усилитель (ОУ, или по-английски OpAmp) мы сейчас и займемся. При этом будем рассматривать его работу буквально «на пальцах», практически не пользуясь никакими формулами, разве что кроме закона дедушки Ома: «Ток через участок цепи (I ) прямо пропорционален напряжению на нем (U ) и обратно пропорционален его сопротивлению (R )»:
I = U / R . (1)

Для начала, в принципе, не так уж и важно, как именно ОУ устроен внутри. Просто примем в качестве допущения, что он представляет собой «черный ящик» с какой-то там начинкой. На данном этапе не будем рассматривать и такие параметры ОУ, как «напряжение смещения», «напряжение сдвига», «температурный дрейф», «шумовые характеристики», «коэффициент подавления синфазной составляющей», «коэффициент подавления пульсаций напряжений питания», «полоса пропускания» и т.п. Все эти параметры будут важны на следующем этапе его изучения, когда в голове «улягутся» основные принципы его работы ибо «гладко было на бумаге, да забыли про овраги»…

Пока что просто допустим, что параметры ОУ близки к идеальным и рассмотрим, только то, какой сигнал будет на его выходе, если какие-то сигналы подавать на его входы.

Итак, операционный усилитель (ОУ) является дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них ОУ имеет выводы питания: положительного и отрицательного. Эти пять выводов имеются в почти любом ОУ и принципиально необходимы для его работы.

ОУ имеет огромный коэффициент усиления, как минимум, 50000…100000, а реально - намного больше. Поэтому, в первом приближении, можно даже допустить, что он равен бесконечности.

Термин «дифференциальный» («different» переводится с английского как «разница», «различие», «разность») означает, что на выходной потенциал ОУ влияет исключительно разность потенциалов между его входами, независимо от их абсолютного значения и полярности.

Термин «постоянного тока» означает, что усиливает ОУ входные сигналы начиная от 0 Гц. Верхний диапазон частот (частотный диапазон), усиливаемых ОУ сигналов зависит от многих причин, таких, как частотные характеристики транзисторов, из которых он состоит, коэффициента усиления схемы, построенной с применением ОУ и т.п. Но этот вопрос уже выходит за рамки первичного ознакомления с его работой и рассматриваться здесь не будет.

Входы ОУ имеют очень большое входное сопротивление, равное десяткам/сотням МегаОм, а то и ГигаОм (и только в приснопамятных К140УД1, да еще в К140УД5 оно составляло всего 30…50 кОм). Столь большое сопротивление входов означает, что на входной сигнал они практически не влияют.

Поэтому с большой степенью приближения к теоретическому идеалу можно считать, что ток во входы ОУ не течет . Это - первое важное правило, которое применяется при анализе работы ОУ. Прошу хорошо запомнить, что оно касается только самого ОУ , а не схем с его применением!

Что же означают термины «инвертирующий» и «неинвертирующий»? По отношению к чему определяется инверсия и вообще, что это за «зверек» такой - инверсия сигнала?

В переводе с латинского одним из значений слова «inversio» является «оборачивание», «переворот». Иными словами, инверсия - это зеркальное отражение (отзеркаливание ) сигнала относительно горизонтальной оси Х (оси времени). На Рис. 1 показаны несколько из множества возможных вариантов инверсии сигнала, где красным цветом обозначен прямой (входной) сигнал и синим - проинвертированный (выходной).

Рис. 1 Понятие инверсии сигнала

Особо следует отметить, что к нулевой линии (как на Рис. 1, А, Б) инверсия сигнала не привязана ! Сигналы могут быть инверсными и асимметрично. Например, оба только в области положительных значений (Рис. 1, В), что характерно для цифровых сигналов или при однополярном питании (об этом речь идти будет дальше), или оба частично в положительной и частично - в отрицательной областях (Рис. 1, Б, Д). Возможны и другие варианты. Главным условием является их взаимная зеркальность относительно какого-то произвольным образом выбранного уровня (например, искусственной средней точки, о которой речь также будет вестись дальше). Иными словами, полярность сигнала тоже не является определяющим фактором.

Изображают ОУ на принципиальных схемах по-разному. За рубежом ОУ раньше изображались, да и сейчас очень часто изображаются в виде равнобедренного треугольника (Рис. 2, А). Инвертирующий вход - символом «минус», а неинвер­тирующий - символом «плюс» внутри треугольника. Эти символы совершенно не означают, что на соответствующих входах потенциал должен быть более положительным или более отрицательным, чем на другом. Они просто-напросто указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы. В итоге их легко спутать с выводами питания, что может оказаться неожиданными «граблями», особенно для начинающих.

Рис. 2 Варианты условных графических изображений (УГО)
операционных усилителей

В системе отечественных условных графических изображений (УГО) до вступления в силу ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) ОУ также изображались в виде треугольника, только инвертирующий вход - символом инверсии - кружочком в месте пересе­чения вывода с треугольником (Рис.2, Б), а сейчас - в виде прямоугольника (Рис.2, В).

При обозначении ОУ на схемах инвертирующий и неинвертирующий входы можно менять местами, если так удобнее, однако, традиционно инвертирующий вход изображается вверху, а неинвертирующий - внизу. Выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху, отрицательный - внизу).

ОУ почти всегда используются в схемах с отрицательной обратной связью (ООС).

Обратной связью называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход, где оно алгебраически (с учетом знака) суммируется с входным напряжением. О принципе суммирования сигналов речь пойдет ниже. В зависимости от того, на какой вход ОУ, инвертирующий или неинвертирующий, подается ОС, различают отрицательную обратную связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход (Рис. 3, А) или положительную обратную связь (ПОС), когда часть выходного сигнала подается, соответственно, на неинвертирующий вход (Рис. 3, Б).

Рис. 3 Принцип формирования обратной связи (ОС)

В первом случае, поскольку выходной сигнал является инверсным по отношению ко входному, он вычитается из входного. В результате общее усиление каскада снижается. Во втором случае - суммируется со входным, общее усиление каскада повышается.

На первый взгляд может показаться, что ПОС имеет положительный эффект, а ООС - совершенно бесполезная затея: зачем же снижать усиление? Именно так и посчитали патентные эксперты США, когда в 1928 г. Гарольд С. Блэк попытался запатентовать ООС. Однако, жертвуя усилением, мы существенно улучшаем другие важные параметры схемы, как, например, её линейность, частотный диапазон и пр. Чем глубже ООС, тем меньше характеристики всей схемы зависят от характеристик ОУ.

А вот ПОС (учитывая собственное огромное усиление ОУ), имеет обратное влияние на характеристики схемы и самое неприятное - вызывает ее самовозбуждение. Она, конечно, тоже используется осознанно, например, в генераторах, компараторах с гистерезисом (подробно об этом - далее) и т.п., но в общем виде её влияние на работу усилительных схем с ОУ скорее негативное и требует очень тщательного и обоснованного анализа её применения.

Поскольку ОУ имеет два входа, то возможны такие основные виды его включения с использованием ООС (Рис. 4):

Рис. 4 Основные схемы включения ОУ

а) инвертирующее (Рис. 4, А) - сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

б) неинвертирующее (Рис. 4, Б) - сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется);

в) дифференциальное (Рис. 4, В) - сигналы подаются на оба входа, инвертирующий и неинвертирующий.

Для анализа работы этих схем следует учесть второе важнейшее правило , которому подчиняется работа ОУ: Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю .

Вместе с тем, любая формулировка должна быть необходимой и достаточной , чтобы ограничить всё подмножество подчиняющихся ей случаев. Приведенная выше формулировка, при всей её «классичности», не дает никакой информации о том, на какой же из входов «стремится повлиять» выход. Исходя из неё, получается, что вроде бы ОУ выравнивает напряжения на своих входах, подавая напряжение на них откуда-то «изнутри».

Если внимательно рассмотреть схемы на Рис. 4, можно заметить, что ООС (через Rоос) во всех случаях заведена с выхода только на инвертирующий вход, что дает нам основание переформулировать это правило следующим образом: Напряжение на выходе ОУ, охваченном ООС, стремится к тому, чтобы потенциал на инвертирующем входе уравнялся с потенциалом на неинвертирующем входе .

Исходя из этого определения, «ведущим» при любом включении ОУ с ООС является неинвертирующий вход, а «ведомым» - инвертирующий.

При описании работы ОУ потенциал на его инвертирующем входе часто называют «виртуальным нулем» или «виртуальной средней точкой». Перевод латинского слова «virtus» означает «воображаемый», «мнимый». Виртуальный объект ведет себя близко к поведению аналогичных объектов материальной реальности, т.е., для входных сигналов (за счет действия ООС) инвертирующий вход можно считать подключенным непосредственно к такому же потенциалу, к какому подключен и неинвертирующий вход. Однако, «виртуальный ноль» является всего лишь частным случаем, имеющим место только при двуполярном питании ОУ. При использовании однополярного питания (о чем будет вестись речь ниже), да и во многих других схемах включения, ни на неинвертирующем, ни на инвертирующем входах ноля не будет. Поэтому давайте договоримся, что этот термин мы применять не будем, поскольку он мешает начальному пониманию принципов работы ОУ.

Вот с этой точки зрения и разберем схемы, приведенные на Рис. 4. При этом, для упрощения анализа, примем, что напряжения питания всё-таки двуполярные, равные друг другу по величине (скажем, ± 15 В), со средней точкой (общая шина или «земля»), относительно которой и будем отсчитывать входные и выходные напряжения. Кроме того, анализ будет проводить по постоянному току, т.к. изменяющийся переменный сигнал в каждый момент времени тоже можно представить как выборку значений постоянного тока. Во всех случаях обратная связь через Rоос заведена с выхода ОУ на его инвертирующий вход. Различие заключается только в том, на какие из входов подается входное напряжение.

А) Инвертирующее включение (Рис. 5).

Рис. 5 Принцип работы ОУ в инвертирующем включении

Потенциал на неинвертирующем входе равен нулю, т.к. он подключен к средней точке («земле»). Входной сигнал, равный +1 В относительно средней точки (от GB) подан на левый вывод входного резистора Rвх. Допустим, что сопротивления Rоос и Rвх равны друг другу и составляют 1 кОм (в сумме их сопротивление равно 2 кОм).

Согласно Правилу 2, на инвертирующем входе должно быть такой же потенциал, как и на зануленном неинвертирующем, т.е., 0 В. Следовательно, к Rвх приложено напряжение +1 В. Согласно закону Ома по нему будет протекать ток I вх. = 1 В / 1000 Ом = 0,001 А (1 мА). Направление протекания этого тока показано стрелкой.

Поскольку Rоос и Rвх включены делителем, а согласно Правилу 1 входы ОУ тока не потребляют, то для того, чтобы в средней точке этого делителя напряжение составляло 0 В, к правому выводу Rоос должно быть приложено напряжение минус 1 В, а протекающий по нему ток I оос также должен быть равен 1 мА. Иными словами, между левым выводом Rвх и правым выводом Rоос приложено напряжение 2 В, а ток, протекающий по этому делителю равен 1 мА (2 В / (1 кОм + 1 кОм) = 1 мА), т.е. I вх. = I оос .

Если на вход подать напряжение отрицательной полярности, на выходе ОУ будет напряжение положительной полярности. Всё то же самое, только стрелки, показывающие протекание тока через Rоос и Rвх будут направлены в противоположную сторону.

Таким образом, при равенстве номиналов Rоос и Rвх, напряжение на выходе ОУ будет равно напряжению на его входе по величине, но инверсное по полярности. И мы получили инвертирующий повторитель . Эта схема нередко применяется, если нужно проинвертировать сигнал, полученный с помощью схем, принципиально являющихся инверторами. Например, логарифмических усилителей.

Теперь давайте, сохранив номинал Rвх, равным 1 кОм, увеличим сопротивление Rоос до 2 кОм при том же входном сигнале +1 В. Общее сопротивление делителя Rоос+Rвх увеличилось до 3 кОм. Чтобы в его средней точке остался потенциал 0 В (равный потенциалу неинвертирующего входа), через Rоос должен протекать тот же ток (1 мА), что и через Rвх. Следовательно, падение напряжения на Rоос (напряжение на выходе ОУ) должно составлять уже 2 В. На выходе ОУ напряжение равно минус 2 В.

Увеличим номинал Rоос до 10 кОм. Теперь напряжение на выходе ОУ при тех же остальных условиях составит уже 10 В. Во-о-от! Наконец-то мы получили инвертирующий усилитель ! Его выходное напряжение больше входного (иными словами, коэффициент усиления Ку) во столько раз, во сколько раз сопротивление Rоос больше, чем сопротивление Rвх. Как я ни зарекался не применять формулы, давайте всё-таки отобразим это в виде уравнения:
Ку = – Uвых / Uвх = – Rоос / Rвх. (2)

Знак минус перед дробью правой части уравнения означает только то, что выходной сигнал инверсен по отношению ко входному. И ничего более!

А теперь давайте увеличим сопротивление Rоос до 20 кОм и проанализируем, что получится. Согласно формулы (2) при Ку = 20 и входном сигнале 1 В на выходе должно было бы быть напряжение 20 В. Ан не тут-то было! Мы же ранее приняли допущение, что напряжение питания нашего ОУ составляет всего ± 15 В. Но даже 15 В получить не удастся (почему так - чуть ниже). «Выше головы (напряжения питания) не прыгнешь»! В итоге такого надругательства над номиналами схемы выходное напряжение ОУ «упирается» в напряжение питания (выход ОУ входит в насыщение). Баланс равенства токов через делитель RоосRвх (I вх. = I оос ) нарушается, на инвертирующем входе появляется потенциал, отличный от потенциала на неинвертирующем входе. Правило 2 перестает действовать.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению Rвх, поскольку через него протекает весь ток от источника входного сигнала (GB).

Теперь давайте заменим постоянный Rоос на переменный, с номиналом, скажем 10 кОм (Рис. 6).

Рис. 6 Схема инвертирующего усилителя с переменным усилением

При правом (по схеме) положении его движка усиление будет составлять Rоос / Rвх = 10 кОм / 1 кОм = 10. Перемещая движок Rоос влево (уменьшая его сопротивление) усиление схемы будет снижаться и, наконец, при крайнем левом его положении станет равным нулю, поскольку числитель в приведенной выше формуле станет равным нулю при любом значении знаменателя. На выходе будет ноль также при любом значении и полярности входного сигнала. Такая схема часто применяется в схемах усиления звуковых сигналов, например, в микшерах, где приходится регулировать усиление от нуля.

Б) Неинвертирующее включение (Рис. 7).

Рис. 7 Принцип работы ОУ в неинвертирующем включении

Левый вывод Rвх подключен к средней точке («земле»), а входной сигнал, равный +1 В подан прямо на неинвертирующий вход. Поскольку нюансы анализа «разжеваны» выше, здесь будем уделять внимание только существенным отличиям.

На первом этапе анализа также примем сопротивления Rоос и Rвх равными друг другу и составляющими 1 кОм. Т.к. на неинвертирующем входе потенциал составляет +1 В, то по Правилу 2 такой же потенциал (+1 В) должен быть и на инвертирующем входе (показано на рисунке). Для этого на правом выводе резистора Rоос (выходе ОУ) должно быть напряжение +2 В. Токи I вх. и I оос , равные 1 мА, текут теперь через резисторы Rоос и Rвх в обратном направлении (показаны стрелками). У нас получился неинвертирующий усилитель с усилением, равным 2, поскольку входной сигнал, равный +1 В формирует выходной сигнал, равный +2 В.

Странно, не так ли? Номиналы те же, что и в инвертирующем включении (различие только в том, что сигнал подан на другой вход), а усиление налицо. Разберемся в этом чуть позже.

Теперь увеличиваем номинал Rоос до 2 кОм. Чтобы сохранить баланс токов I вх. = I оос и потенциал инвертирующего входа +1 В, на выходе ОУ должно быть уже +3 В. Ку = 3 В / 1 В = 3!

Если сравнить значения Ку при неинвертирующем включении с инвертирующим, при тех же номиналах Rоос и Rвх, то получается что коэффициент усиления во всех случаях больше на единицу. Выводим формулу:
Ку = Uвых / Uвх + 1 = (Rоос / Rвх) + 1 (3)

Почему же так происходит? Да очень просто! ООС действует точно так же, как и при инвертирующем включении, но согласно Правилу 2, к потенциалу инвертирующего входа в неинвертирующем включении всегда прибавляется потенциал неинвертирующего входа.

Так что же, при неинвертирующем включении нельзя получить усиление, равное 1? Почему же нельзя - можно. Давайте уменьшать номинал Rоос, аналогично тому, как мы анализировали Рис. 6. При его нулевом значении - перемыкании выхода с инвертирующем входом накоротко (Рис. 8, А), согласно Правилу 2, на выходе будет такое напряжение, чтобы потенциал инвертирующего входа был равен потенциалу неинвертирующего входа, т.е., +1 В. Получаем: Ку = 1 В / 1 В = 1 (!) Ну, а поскольку инвертирующий вход тока не потребляет и разности потенциалов между ним и выходом нет, то и никакой ток в этой цепи не протекает.

Рис. 8 Схема включения ОУ, как повторителя напряжения

Rвх становится вообще лишним, т.к. он подключается параллельно нагрузке, на которую должен работать выход ОУ и через него совершенно зря будет протекать его выходной ток. А что будет, если оставить Rоос, но убрать Rвх (Рис. 8, Б)? Тогда в формуле усиления Ку = Rоос / Rвх + 1 сопротивление Rвх теоретически становится близким к бесконечности (в реальности, конечно же, нет, т.к. существуют утечки по плате, да и входной ток ОУ хоть и пренебрежимо мал, но нулю всё-таки не равен), при чем соотношение Rоос / Rвх приравнивается к нулю. В формуле остается только единица: Ку = + 1. А усиление меньше единицы для этой схемы можно получить? Нет, меньше не получится ни при каких обстоятельствах. «Лишнюю» единицу в формуле усиления на кривой козе не объедешь…

После того, как мы убрали все «лишние» резисторы, получается схема неинвертирующего повторителя , показанная на Рис. 8, В.

На первый взгляд, такая схема не имеет практического смысла: зачем нужно единичное да еще и неинверсное «усиление» - что, нельзя просто подать сигнал дальше??? Однако, такие схемы применяются довольно часто и вот почему. Согласно Правилу 1 ток во входы ОУ не течет, т.е., входное сопротивление неинвертирующего повторителя очень большое - те самые десятки, сотни и даже тысячи МОм (это же относится и к схеме по Рис. 7)! А вот выходное сопротивление очень малое (доли Ома!). Выход ОУ «пыхтит изо всех сил», стараясь, согласно Правилу 2, поддержать на инвертирующем входе такой же потенциал, как и на неинвертирующем. Ограничением является только допустимый выходной ток ОУ.

А вот с этого места мы немного вильнем в сторону и рассмотрим вопрос выходных токов ОУ чуть подробнее.

Для большинства ОУ широкого применения в технических параметрах указано, что сопротивление нагрузки, подключенной к их выходу, не должно быть меньше 2 кОм. Больше - сколько угодно. Для намного меньшего числа оно составляет 1 кОм (К140УД…). Это значит, что при наихудших условиях: максимальном напряжении питания (например, ±16 В или суммарно 32 В), нагрузкой, подключенной между выходом и одной из шин питания и максимальном выходном напряжении противоположной полярности, к нагрузке будет приложено напряжение около 30 В. При этом ток через нее составит: 30 В / 2000 Ом = 0,015 А (15 мА). Не так, чтобы мало, но и не особо много. К счастью, большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока - типичное значение максимального выходного тока составляет 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Если напряжения питания не максимально допустимые, то минимальное сопротивление нагрузки можно пропорционально уменьшать. Скажем, при питании 7,5…8 В (суммарно 15…16 В) оно может составлять 1 кОм.

В) Дифференциальное включение (Рис. 9).

Рис. 9 Принцип работы ОУ в дифференциальном включении

Итак, допустим, что при одинаковых номиналах Rвх и Rоос, равных 1 кОм, на оба входа схемы поданы одинаковые напряжения, равные +1 В (Рис. 9, А). Поскольку потенциалы с обеих сторон резистора Rвх равны друг другу (напряжения на резисторе равно 0), ток через него не протекает. А значит, равен нулю и ток через резистор Rоос. Т.е., эти два резистора никакой функции не выполняют. По сути, мы фактически получили неинвертирующий повторитель (сравните с Рис. 8). Соответственно, на выходе получим такое же напряжение, как и на неинвертирующем входе, т.е., +1 В. Поменяем полярность входного сигнала на инвертирующем входе схемы (перевернем GB1) и подадим минус 1 В (Рис. 9, Б). Теперь между выводами Rвх приложено напряжение 2 В и через него течет ток I вх = 2 мА (надеюсь, что подробно расписывать, почему так - уже не нужно?). Для того, чтобы скомпенсировать этот ток, через Rоос тоже должен протекать ток, равный 2 мА. А для этого на выходе ОУ должно быть напряжение +3 В.

Вот где проявился ехидный «оскал» дополнительной единички в формуле коэффициента усиления неинвертирующего усилителя. Получается, что при таком упрощенном дифференциальном включении разница в коэффициентах усиления постоянно сдвигает выходной сигнал на величину потенциала на неинвертирующем входе. Проблема-с! Однако, «Даже если вас съели - у вас всё равно остаётся как минимум два выхода». Значит, нам каким-то образом надо уравнять коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего включений, чтобы «нейтрализовать» эту лишнюю единичку.

Для этого подадим входной сигнал на неинвертирующий вход не напрямую, а через делитель Rвх2, R1 (Рис. 9, В). Примем их номиналы также по 1 кОм. Теперь на неинвертирующем (а значит, и на инвертирующем тоже) входе ОУ будет потенциал +0,5 В, через него (и Rоос) будет протекать ток I вх = I оос = 0,5 мА, для обеспечения которого на выходе ОУ должно быть напряжение, равное 0 В. Фу-у-ух! Мы добились, чего хотели! При равных по величине и полярности сигналах на обеих входах схемы (в данном случае +1 В, но то же самое будет справедливо и для минус 1 В и для любых иных цифровых значений), на выходе ОУ будет сохраняться нулевое напряжение, равное разнице входных сигналов.

Проверим это рассуждение, подав на инвертирующий вход сигнал отрицательной полярности минус 1 В (Рис. 9, Г). При этом I вх = I оос = 2 мА, для чего на выходе должно быть +2 В. Всё подтвердилось! Уровень выходного сигнала соответствует разнице между входными.

Конечно, при равенстве Rвх1 и Rоос (соответственно, Rвх2 и R1) усиления мы не получим. Для этого нужно увеличить номиналы Rоос и R1, как это делали при анализе предыдущих включений ОУ (не буду повторяться), причем должно строго соблюдаться соотношение:

Rоос / Rвх1 = R1 / Rвх2. (4)

Что же полезного мы получаем от такого включения практически? А получаем мы замечательное свойство: выходное напряжение не зависит от абсолютных значений входных сигналов, если они равны друг другу по величине и полярности. На выход поступает только разностный (дифференциальный) сигнал. Это позволяет усиливать очень малые сигналы на фоне помехи, одинаково действующей на оба входа. Например, сигнал с динамического микрофона на фоне наводки сети промышленной частоты 50 Гц.

Однако, в этой бочке меда, к сожалению, присутствует ложка дегтя. Во-первых, равенство (4) должно соблюдаться очень строго (вплоть до десятых а иногда и сотых процента!). Иначе возникнет разбаланс токов, действующих в схеме, а следовательно, кроме разностных («противофазных») сигналов будут усиливаться и сочетанные («синфазные») сигналы.

Давайте, разберемся с сущностью этих терминов (Рис. 10).

Рис. 10 Сдвиг фазы сигнала

Фаза сигнала - это величина, характеризующая смещение начала отсчета периода сигнала относительно начала отсчета времени. Поскольку и начало отсчета времени, и начало отсчета периода выбираются произвольно, фаза одного периодического сигнала физическим смыслом не обладает. Однако разность фаз двух периодических сигналов - это величина, имеющая физический смысл, она отражает запаздывание одного из сигналов относительно другого. Что считать началом периода, не имеет никакого значения. За точку начала периода можно взять нулевое значение с положительным наклоном. Можно - максимум. Всё в нашей власти.

На Рис. 9 красным обозначен исходный сигнал, зеленым - сдвинутый на ¼ периода относительно исходного и синим - на ½ периода. Если сравнить красную и синюю кривые с кривыми на Рис. 2, Б, то можно заметить, что они взаимно инверсны . Т.о., «синфазные сигналы» - это сигналы, совпадающие друг с другом в каждой своей точке, а «противофазные сигналы» - инверсные друг относительно друга.

В то же время, понятие инверсии более широкое, чем понятие фазы , т.к. последнее применимо только к регулярно повторяющимся, периодическим сигналам. А понятие инверсии применимо к любым сигналам, в том числе и непериодическим, как, например, звуковой сигнал, цифровая последовательность, либо постоянное напряжение. Чтобы фаза была состоятельной величиной, сигнал должен быть периодическим хотя бы на некотором интервале. В противном случае, и фаза и период превращаются в математические абстракции.

Во-вторых, инвертирующий и неинвертирующий входы в дифференциальном включении при равенстве номиналов Rоос = R1 и Rвх1 = Rвх2 будут иметь различные входные сопротивления. Если входное сопротивление инвертирующего входа определяется только номиналом Rвх1, то неинвертирующего - номиналами последовательно включенных Rвх2 и R1 (ещё не забыли, что входы ОУ тока не потребляют?). В приведенном выше примере они будут составлять, соответственно, 1 и 2 кОм. А если мы увеличим Rоос и R1 для получения полноценного усилительного каскада, то разница возрастет еще существеннее: при Ку = 10 - до, соответственно, всё того же 1 кОм и целых 11 кОм!

К сожалению, на практике обычно ставят номиналы Rвх1 = Rвх2 и Rоос = R1. Однако, это приемлемо, только если источники сигнала для обоих входов имеют очень низкое выходное сопротивление . Иначе оно образует делитель с входным сопротивлением данного усилительного каскада, а поскольку коэффициент деления таких «делителей» будет разным, то и результат очевиден: дифференциальный усилитель с такими номиналами резисторов не будет выполнять своей функции подавления синфазных (сочетанных) сигналов, либо выполнять эту функцию плохо.

Одним из путей решения данной проблемы может быть неравенство номиналов резисторов, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ. А именно, чтобы Rвх2 + R1 = Rвх1. Ещё одним важным моментом является достижение точного соблюдения равенства (4). Как правило, этого добиваются путем разбиения R1 на два резистора - постоянный, обычно составляющий 90% от нужного номинала и переменный (R2), сопротивление которого составляет 20% от нужного номинала (Рис. 11, А).

Рис. 11 Варианты балансировки дифференциального усилителя

Путь общепринятый, но опять же, при таком способе балансировки пусть и немного, но изменяется входное сопротивление неинвертирующего входа. Намного стабильнее вариант с включением подстроечного резистора (R5) последовательно с Rоос (Рис. 11, Б), поскольку Rоос в формировании входного сопротивления инвертирующего входа участия не принимает. Главное - сохранить соотношения их номиналов, аналогично варианту «А» (Rоос / Rвх1 = R1 / Rвх2).

Коль скоро мы повели речь о дифференциальном включении и упомянули повторители, хотелось бы описать одну интересную схемку (Рис. 12).

Рис. 12 Схема переключаемого инвертирующего/неинвертирующего повторителя

Входной сигнал подается одновременно на оба входа схемы (инвертирующий и неинвертирующий). Номиналы всех резисторов (Rвх1, Rвх2 и Rоос) равны друг другу (в данном случае возьмем их реальные значения: 10…100 кОм). Неинвертирующий вход ОУ ключом SA может замыкаться на общую шину.

В замкнутом положении ключа (Рис. 12, А) резистор Rвх2 в работе схемы не участвует (через него только «бесполезно» течет ток I вх2 от источника сигнала на общую шину). Получаем инвертирующий повторитель с усилением равным минус 1 (см. Рис. 6). А вот при разомкнутом положении ключа SA (Рис. 12, Б) получаем неинвертирующий повторитель с усилением равным +1.

Принцип работы этой схемы можно выразить и несколько по-другому. При замкнутом ключе SA она работает как инвертирующий усилитель с усилением, равным минус 1, а при разомкнутом - одновременно (!) и как инвертирующий усилитель с усилением, минус 1, и как неинвертирующий усилитель с усилением +2, откуда: Ку = +2 + (–1) = +1.

В таком виде эту схему можно использовать, если, например, на этапе проектирования неизвестна полярность входного сигнала (скажем, от датчика, к которому нет доступа до начала наладки устройства). Если же в качестве ключа использовать транзистор (например, полевой), управляемый от входного сигнала с помощью компаратора (о нем речь будет вестись ниже), то получим синхронный детектор (синхронный выпрямитель). Конкретная реализация такой схемы, конечно же, выходит за рамки начального ознакомления с работой ОУ и мы её здесь опять же подробно рассматривать не будем.

А теперь давайте рассмотрим принцип суммирования входных сигналов (Рис. 13, А), а заодно разберемся, какие же номиналы резисторов Rвх и Rоос должны быть в реальности.

Рис. 13 Принцип работы инвертирующего сумматора

Берем за основу уже рассмотренный выше инвертирующий усилитель (Рис. 5), только ко входу ОУ подключаем не один, а два входных резистора Rвх1 и Rвх2. Пока что, в «учебных» целях, принимаем сопротивления всех резисторов, включая Rоос, равными 1 кОм. На левые выводы Rвх1 и Rвх2 подаем входные сигналы, равные +1 В. Через эти резисторы протекают токи, равные 1 мА (показаны стрелками, направленными слева направо). Для поддержания на инвертирующем входе такого же потенциала, как и на неинвертирующем (0 В), через резистор Rоос должен протекать ток, равный сумме входных токов (1 мА +1 мА = 2 мА), показанный стрелкой, направленной в противоположном направлении (справа налево), для чего на выходе ОУ должно быть напряжение минус 2 В.

Тот же самый результат (выходное напряжение минус 2 В) можно получить, если на вход инвертирующего усилителя (Рис. 5) подать напряжение +2 В, либо номинал Rвх уменьшить вдвое, т.е. до 500 Ом. Увеличим напряжение, приложенное к резистору Rвх2 до +2 В (Рис. 13, Б). На выходе получим напряжение минус 3 В, что равно сумме входных напряжений.

Входов может быть не два, а сколь угодно много. Принцип работы данной схемы от этого не изменится: выходное напряжение в любом случае будет прямо пропорционально алгебраической сумме (с учетом знака!) токов, проходящих через резисторы, подключенные к инвертирующему входу ОУ (обратно пропорционально их номиналам), независимо от их количества.

Если же, на входы инвертирующего сумматора подать сигналы, равные +1 В и минус 1 В (Рис. 13, В), то протекающие через них токи будут разнонаправлены, они взаимно скомпенсируются и на выходе будет 0 В. Через резистор Rоос в таком случае ток протекать не будет. Иными словами, ток, протекающий по Rоос, алгебраически суммируется со входными токами.

Отсюда также проистекает важный момент: пока мы оперировали небольшими входными напряжениями (1…3 В), выход ОУ широкого применения вполне мог обеспечить такой ток (1…3 мА) для Rоос и что-то ещё оставалось для нагрузки, подключенной к выходу ОУ. Но если напряжения входных сигналов увеличить до максимально допустимых (близких к напряжениям питания), то получается, что весь выходной ток уйдет в Rоос. Для нагрузки ничего не останется. А кому нужен усилительный каскад, который работает «сам на себя»? Кроме того, номиналы входных резисторов, равные всего 1 кОм (соответственно, определяющие входное сопротивление инвертирующего усилительного каскада), требуют протекания по ним чрезмерно больших токов, сильно нагружающих источник сигнала. Поэтому в реальных схемах сопротивление Rвх выбирается не менее 10 кОм, но и желательно не более 100 кОм, чтобы при заданном коэффициенте усиления не ставить Rоос слишком большого номинала. Хотя эти величины и не являются абсолютными, а только прикидочными, как говорится, «в первом приближении» - всё зависит от конкретной схемы. В любом случае нежелательно, чтобы через Rоос протекал ток, превышающий 5…10% максимального выходного тока данного конкретного ОУ.

Суммируемые сигналы можно подавать и на неинвертирующий вход. Получается неинвертирующий сумматор . Принципиально такая схема будет работать точно так же, как и инвертирующий сумматор, на выходе которого будет сигнал, прямо пропорциональный входным напряжениям и обратно пропорциональный номиналам входных резисторов. Однако практически она используется намного реже, т.к. содержит «грабли», которые следует учитывать.

Поскольку Правило 2 действует только для инвертирующего входа, на котором действует «виртуальный потенциал нуля», то на неинвертирующем будет потенциал, равный алгебраической сумме входных напряжений. Следовательно, входное напряжение, имеющееся на одном из входов, будет влиять на напряжение, поступающее на другие входы. «Виртуального потенциала» ведь на неинвертирующем входе нет! В итоге приходится применять дополнительные схемотехнические ухищрения.

До сих пор мы рассматривали схемы на ОУ с ООС. А что будет, если обратную связь убрать вообще? В таком случае мы получаем компаратор (Рис. 14), т.е., устройство, сравнивающее по абсолютному значению два потенциала на своих входах (от английского слова compare - сравнивать). На его выходе будет напряжение, приближающееся к одному из напряжений питания в зависимости от того, какой из сигналов больше другого. Обычно входной сигнал подается на один из входов, а на другой - постоянное напряжение, с которым он сравнивается (т.н. «опорное напряжение»). Оно может быть любым, в том числе и равным нулевому потенциалу (Рис. 14, Б).

Рис. 14 Схема включения ОУ как компаратора

Однако, не всё так хорошо «в королевстве Датском»… А что произойдет, если напряжение между входами будет равно нулю? По идее, на выходе тоже должен быть ноль, но в реальности - никогда . Если потенциал на одном из входов хоть на чуть-чуть перевесит потенциал другого, то уже этого будет достаточно, чтобы на выходе возникли хаотические скачки напряжения из-за случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

В реальности любой сигнал является «зашумленным», т.к. идеала не может быть по определению. И в области, близкой к точке равенства потенциалов входов, на выходе компаратора появится пачка выходных сигналов вместо одного четкого переключения. Для борьбы с этим явлением в схему компаратора часто вводят гистерезис путем создания слабой положительной ПОС с выхода на неинвертирующий вход (Рис. 15).

Рис. 15 Принцип действия гистерезиса в компараторе за счет ПОС

Проанализируем работу этой схемы. Напряжения её питания составляют ±10 В (для ровного счета). Сопротивление Rвх равно 1 кОм, а Rпос - 10 кОм. В качестве опорного напряжения, поступающего на инвертирующий вход, выбран потенциал средней точки. Красной кривой показан входной сигнал, поступающий на левый вывод Rвх (вход схемы компаратора), синей - потенциал на неинвертирующем входе ОУ и зеленой - выходной сигнал.

Пока входной сигнал имеет отрицательную полярность, на выходе - отрицательное напряжение, которое через Rпос суммируется с входным напряжением обратно пропорционально номиналам соответствующих резисторов. В результате потенциал неинвертирующего входа во всем диапазоне отрицательных значений на 1 В (по абсолютному значению) превышает уровень входного сигнала. Как только потенциал неинвертирующего входа уравняется с потенциалом инвертирующего (для входного сигнала это будет составлять + 1 В), напряжение на выходе ОУ начнет переключаться с отрицательной полярности в положительную. Суммарный потенциал на неинвертирующем входе начнет лавинообразно становиться ещё более положительным, поддерживая процесс такого переключения. В итоге незначительные шумовые колебания входного и опорного сигналов компаратор просто «не заметит», поскольку они будут на много порядков меньшими по амплитуде, чем описанная «ступенька» потенциала на неинвертирующем входе при переключении.

При снижении входного сигнала обратное переключение выходного сигнала компаратора произойдет при входном напряжении минус 1 В. Вот эта разница между уровнями входного сигнала, ведущими к переключению выхода компаратора, равная в нашем случае суммарно 2 В, и называется гистерезисом . Чем больше сопротивление Rпос по отношению к Rвх (меньше глубина ПОС), тем меньший гистерезис переключения. Так, при Rпос = 100 кОм он будет составлять всего 0,2 В, а при Rпос = 1 Мом - 0,02 В (20 мВ). Выбирается гистерезис (глубина ПОС), исходя из реальных условий функционирования компаратора в конкретной схеме. В какой и 10 мВ будет много, а в какой - и 2 В мало.

К сожалению, не каждый ОУ и не во всех случаях можно использовать в качестве компаратора . Выпускаются специализированные микросхемы компараторов, предназначенные для согласования между аналоговыми и цифровыми сигналами. Часть из них специализирована для подключения к цифровым ТТЛ-микросхемам (597СА2), часть - цифровым ЭСЛ-микросхемам (597СА1), однако большинство является т.н. «компараторами широкого применения» (LM393/LM339/К554СА3/К597СА3). Их основное отличие от ОУ заключается в особом устройстве выходного каскада, который выполнен на транзисторе с открытым коллектором (Рис. 16).

Рис. 16 Выходной каскад компараторов широкого применения
и его подключение к нагрузочному резистору

Это требует обязательного применения внешнего нагрузочного резистора (R1), без которого выходной сигнал просто физически не способен сформировать высокий (положительный) выходной уровень. Напряжение +U2, к которому подключается нагрузочный резистор, может быть иным, чем напряжение питания +U1 самой микросхемы компаратора. Это позволяет простыми средствами обеспечить выходной сигнал нужного уровня - будь он ТТЛ или КМОП.

Примечание В большинстве компараторов, примером которых могут быть сдвоенные LM393 (LM193/LM293) или точно такие же по схемотехнике, но счетверенные LM339 (LM139/LM239), эмиттер транзистора выходного каскада соединен с минусовым выводом питания, что несколько ограничивает область их применения. В этой связи хотел бы обратить внимание на компаратор LM31 (LM111/LM211), аналогом которого является отечественный 521/554СА3, в котором отдельно выведены как коллектор, так и эмиттер выходного транзистора, которые можно подключать к иным напряжениям, чем напряжения питания самого компаратора. Единственным и относительным его недостатком является только то, что в 8-выводном (иногда в 14 выводном) корпусе он всего лишь один.

До сих пор мы рассматривали схемы, в которых входной сигнал поступал на вход(ы) через Rвх, т.е. все они являлись преобразователями входного напряжения в выходное напряжение же. При этом входной ток протекал через Rвх. А что будет, если его сопротивление принять равным нулю? Работать схема будет точно так же, как и рассмотренный выше инвертирующий усилитель, только в качестве Rвх будет служить выходное сопротивление источника сигнала (Rвых), а мы получим преобразователь входного тока в выходное напряжение (Рис. 17).

Рис. 17 Схема преобразователя тока в напряжение на ОУ

Поскольку на инвертирующем входе потенциал такой же, как и на неинвертирующем (в данном случае равен «виртуальному нулю»), весь входной ток (I вх ) будет протекать через Rоос между выходом источника сигнала (G) и выходом ОУ. Входное сопротивление такой схемы близко к нулевому, что позволяет строить на ее основе микро/миллиамперметры, практически не влияющие на ток, протекающий по измеряемой цепи. Пожалуй, единственным ограничением является допустимый диапазон входных напряжений ОУ, который не следует превышать. С её помощью можно построить также, например, линейный преобразователь тока фотодиода в напряжение и множество других схем.

Мы рассмотрели основные принципы функционирования ОУ в различных схемах его включения. Остался один важный вопрос: их питание .

Как было сказано выше, ОУ типично имеет всего 5 выводов: два входа, выход и два вывода питания, положительного и отрицательного. В общем случае используется двуполярное питание, то есть источник питания имеет три вывода с потенциалами: +U; 0; –U.

Еще раз внимательно рассмотрим все приведенные выше рисунки и увидим, что отдельного вывода средней точки в ОУ НЕТ ! Для работы их внутренней схемы она просто не нужна. На некоторых схемах со средней точкой соединялся неинвертирующий вход, однако, это не является правилом.

Следовательно, подавляющее большинство современных ОУ предназначены для питания ОДНОПОЛЯРНЫМ напряжением! Возникает закономерный вопрос: «А зачем же тогда нужно двуполярное питание», если мы так упорно и с завидным постоянством изображали его на рисунках?

Оказывается, оно просто очень удобно для практических целей по следующим причинам:

А) Для обеспечения достаточного тока и размаха выходного напряжения через нагрузку (Рис. 18).

Рис. 18 Протекание выходного тока через нагрузку при различных вариантах питании ОУ

Пока что не будем рассматривать входные (и ООС) цепи схем, изображенных на рисунке («чёрный ящик»). Примем, как данность, что на вход подается какой-то входной синусоидальный сигнал (черная синусоида на графиках) и на выходе получается такой же синусоидальный сигнал, усиленный по отношению ко входному цветная синусоида на графиках).

При подключении нагрузки Rнагр. между выходом ОУ и средней точки соединения источников питания (GB1 и GB2) - Рис. 18, А, ток через нагрузку протекает симметрично относительно средней точки (соответственно, красная и синяя полуволны), а его амплитуда максимальна и амплитуда напряжения на Rнагр. также максимально возможна - она может достигать почти напряжений питания. Ток от источника питания соответствующей полярности замыкается через ОУ, Rнагр. и источник питания (красная и синяя линии, показывающие протекание тока в соответствующем направлении).

Поскольку внутреннее сопротивление источников питания ОУ весьма мало, ток, проходящий через нагрузку, ограничен только её сопротивлением и максимальным выходным током ОУ, которое типично составляет 25 мА.

При питании ОУ однополярным напряжением в качестве общей шины выбирается обычно отрицательный (минусовый) полюс источника питания, к которому и подключается второй вывод нагрузки (Рис. 18, Б). Теперь ток через нагрузку может протекать только в одном направлении (показано красной линией), второму направлению просто неоткуда взяться. Иными словами, ток через нагрузку становится асимметричным (пульсирующим).

Однозначно утверждать, что такой вариант плох, нельзя. Если нагрузкой является, скажем, динамическая головка, то для неё это плохо однозначно. Однако, существует множество применений, когда подключение нагрузки между выходом ОУ и одной из шин питания (как правило, отрицательной полярности), не только допустимо, но и единственно возможно.

Если же всё-таки нужно обеспечить симметрию протекания тока через нагрузку при однополярном питании, то приходится гальванически развязывать её от выхода ОУ гальванически конденсатором С1 (Рис. 18, В).

Б) Для обеспечения нужного тока инвертирующего входа, а также привязки входных сигналов к какому-то произвольно выбранному уровню, принимаемому за опорный (нулевой) - задания режима работы ОУ по постоянному току (Рис. 19).

Рис. 19 Подключение источника входного сигнала при различных вариантах питания ОУ

Теперь рассмотрим варианты подключения источников входных сигналов, исключив из рассмотрения подключение нагрузки.

Подключение инвертирующего и неинвертирующего входов к средней точке соединения источников питания (Рис. 19, А) было рассмотрено при анализе приведенных ранее схем. Если неинвертирующий вход тока не потребляет и просто принимает потенциал средней точки, то через источник сигнала (G) и Rвх, включенные последовательно, ток-то протекает, замыкаясь через соответствующий источник питания! А поскольку их внутренние сопротивления пренебрежимо малы по сравнению со входным током (на много порядков меньше, чем Rвх), то и влияния на напряжения питания он практически не оказывает.

Таким образом, при однополярном питании ОУ, можно совершенно спокойно сформировать потенциал, подаваемый на его неинвертирующий вход, с помощью делителя R1R2 (Рис. 19, Б, В). Типичные номиналы резисторов этого делителя составляют 10…100 кОм, причем нижний (подключенный к общей минусовой шине) крайне желательно зашунтировать конденсатором на 10…22 мкф, чтобы существенно снизить влияние пульсаций напряжения питания на потенциал такой искусственной средней точки .

А вот источник сигнала (G) к этой искусственной средней точке подключать крайне нежелательно всё из-за того же входного тока. Давайте прикинем. Даже при номиналах делителя R1R2 = 10 кОм и Rвх = 10…100 кОм, входной ток I вх составит в лучшем случае 1/10, а в худшем - до 100% тока, проходящего через делитель. Следовательно, на столько же будет «плавать» потенциал на неинвертирующем входе в сочетании (синфазно) с входным сигналом.

Чтобы устранить взаимовлияние входов друг на друга при усилении сигналов постоянного тока при таком включении, для источника сигнала следует организовать отдельный потенциал искусственной средней точки, формируемый резисторами R3R4 (Рис. 19, Б), либо, если усиливается сигнал переменного тока, гальванически развязать источник сигнала от инвертирующего входа конденсатором С2 (Рис. 19, В).

Следует отметить, что в приведенных выше схемах (Рис. 18, 19) мы по умолчанию приняли допущение, что выходной сигнал должен быть симметричным относительно либо средней точки источников питания, либо искусственной средней точки. В реальности это нужно не всегда. Довольно часто нужно, чтобы выходной сигнал имел преимущественно либо положительную, либо отрицательную полярность. Поэтому совершенно не обязательно, чтобы положительная и отрицательная полярности источника питания были равны по абсолютному значению. Одно из них может быть значительно меньше по абсолютному значению, чем другое - только таким, чтобы обеспечить нормальное функционирование ОУ.

Возникает закономерный вопрос: «А каким именно»? Чтобы ответить на него, коротко рассмотрим допустимые диапазоны напряжений входных и выходного сигналов ОУ.

У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и ниже, чем потенциал отрицательной шины питания. Иными словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающих напряжений. Например, для ОУ OPA277 выходное напряжение при сопротивлении нагрузки 10 кОм меньше напряжения положительной шины питания на 2 В и отрицательной шины питания - на 0,5 В. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых не может достичь выход ОУ, зависит от ряда факторов, таких, как схемотехника выходного каскада, сопротивление нагрузки и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до напряжения шин питания при нагрузке 10 кОм (для OPA340), эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (R2R).

С другой стороны, для ОУ широкого применения входные сигналы также не должны превышать напряжения питания, а для некоторых - быть меньше их на 1,5…2 В. Однако, существуют ОУ со специфической схемотехникой входного каскада (например, те же LM358/LM324), которые могут работать не только от уровня отрицательного питания, но даже «минусовее» его на 0,3 В, что существенно облегчает их использование при однополярном питании с общей отрицательной шиной.

Давайте, наконец, рассмотрим и пощупаем этих «жучков-паучков». Можно даже обнюхать и облизать. Разрешаю. Рассмотрим их наиболее частые варианты, доступные начинающим радиолюбителям. Тем более, если приходится выпаивать ОУ из старой аппаратуры.

Для ОУ старых разработок, в обязательном порядке требующих внешних цепей для частотной коррекции, чтобы предотвратить самовозбуждение, было характерно наличие дополнительных выводов. Некоторые ОУ из-за этого даже не «влезали» в 8-выводный корпус (рис. 20, А) и изготавливались в 12-выводных круглых металло-стеклянных, например, К140УД1, К140УД2, К140УД5 (Рис. 20, Б) или в 14-выводных DIP-корпусах, например, К140УД20, К157УД2 (Рис. 20, В). Аббревиатура DIP является сокращением английского выражения «Dual In line Package» и переводится как «корпус с двусторонним расположением выводов».

Круглый металло-стеклянный корпус (Рис. 20, А, Б) применялся, как основной, для импортных ОУ примерно до середины 70-х годов, а для отечественных ОУ - до середины 80-х и применяется сейчас для т.н. «военных» применений («5-я приемка»).

Иногда отечественные ОУ размещались в довольно «экзотических» в настоящее время корпусах: 15-выводный прямоугольный метало-стеклянный для гибридного К284УД1 (Рис. 20, Г), в котором ключом является дополнительный 15-й вывод от корпуса, и других. Правда, планарные 14-выводные корпуса (Рис. 20, Д) для размещения в них ОУ мне лично не встречались. Они применялись для цифровых микросхем.

Рис. 20 Корпуса отечественных операционных усилителей

Современные же ОУ в большинстве своем содержат корректирующие цепи прямо на кристалле, что позволило обходиться минимальным количе­ством выводов (как пример - 5-выводный SOT23-5 для одиночного ОУ - Рис. 23). Это позволило в одном корпусе размещать по два-четыре полностью независимых (кроме общих выводов питания) ОУ, изготовленных на одном кристалле.

Рис. 21 Двухрядные пластиковые корпуса современных ОУ для выводного монтажа (DIP)

Иногда можно встретить ОУ, размещенные в однорядных 8-выводных (Рис. 22) либо 9-выводных корпусах (SIP) - К1005УД1. Аббревиатура SIP является сокращением английского выражения «Single In line Package» и переводится как «корпус с односторонним расположением выводов».

Рис. 22 Однорядный пластиковый корпус сдвоенных ОУ для выводного монтажа (SIP-8)

Они были разработаны для минимизации места, занимаемого на плате, но, к сожалению, «опоздали»: к этому времени широкое распространение заняли корпуса для поверхностного монтажа (SMD - Surface Mounting Device) путем подпайки прямо к дорожкам платы (Рис. 23). Однако, для начинающих их использование представляет существенные сложности.

Рис. 23 Корпуса современных импортных ОУ для поверхностного монтажа (SMD)

Очень часто одна и та же микросхема может «упаковываться» производителем в различные корпуса (Рис. 24).

Рис. 24 Варианты размещения одной и той же микросхемы в разных корпусах

Выводы всех микросхем имеют последовательную нумерацию, отсчитываемую от т.н. «ключа», указывающего на расположение вывода под номером 1. (Рис. 25). В любом случае, если расположить корпус выводами от себя , их нумерация по возрастающей идет против часовой стрелки !

Рис. 25 Расположение выводов операционных усилителей
в различных корпусах (цоколевка), вид сверху;
направление нумерации показано стрелками

В круглых металло-стеклянных корпусах ключ имеет вид бокового выступа (Рис. 25, А, Б). Вот с расположения этого ключа возможны огроменных размеров «грабли»! В отечественных 8-выводных корпусах (302.8) ключ располагается напротив первого вывода (Рис. 25, А), а в импортных ТО-5 - напротив восьмого вывода (Рис. 25, Б). В 12-выводных корпусах, как отечественных (302.12), так и импортных, ключ расположен между первым и 12-м выводами.

Обычно инвертирующий вход как в круглых металло-стеклянных, так и в DIP-корпусах, соединен со 2-м выводом, неинвертирующий - с 3-м, выход - с 6-м, минус питания - с 4-м и плюс питания - с 7-м. Однако, есть и исключения (ещё одни возможные «грабли»!) в цоколевке ОУ К140УД8, К574УД1. В них нумерация выводов сдвинута на один против часовой стрелки по сравнению с общепринятой для большинства других типов, т.е. с выводами они соединены, как в импортных корпусах (Рис. 25, Б), а нумерация соответствует отечественным (Рис. 25, А).

В последние годы большинство ОУ «бытового назначения» стали размещать в пластмассовых корпусах (Рис. 21, 25, В-Д). В этих корпусах ключом является либо углубление (точка) напротив первого вывода, либо вырез в торце корпуса между первым и 8-м (DIP-8) или 14-м (DIP-14) выводами, либо фаска вдоль первой половины выводов (Рис. 21, посередине). Нумерация выводов в этих корпусах также идет против часовой стрелки при виде сверху (выводами от себя).

Как было сказано выше, ОУ с внутренней коррекцией имеют всего пять выводов, из которых только три (два входа и выход) принадлежат каждому отдельному ОУ. Это позволило в одном 8-выводном корпусе разместить на одном кристалле по два полностью независимых (за исключением плюса и минуса питания, требующих еще двух выводов) ОУ (Рис. 25, Г), а в 14-выводном корпусе - даже четыре (Рис. 25, Д). В итоге в настоящее время большинство ОУ выпускаются как минимум сдвоенными, например, TL062, TL072, TL082, дешевые и простые LM358 и др. Точно такие же по внутренней структуре, но счетверенные - соответственно, TL064, TL074, TL084 и LM324.

В отношении отечественного аналога LM324 (К1401УД2) существуют еще одни «грабли»: если в LM324 плюс питания выведен на 4-й вывод, а минус - на 11-й, то в К1401УД2 наоборот: плюс питания выведен на 11-й вывод, а минус - на 4-й. Однако, никаких сложностей с разводкой это отличие не вызывает. Поскольку цоколевка выводов ОУ полностью симметрична (Рис. 25, Д), нужно просто перевернуть корпус на 180 градусов, чтобы 1-й вывод занял место 8-го. Да и всё.

Пара слов относительно маркировки импортных ОУ (да и не только ОУ). Для ряда разработок первых 300 цифровых обозначений было принято обозначать группу качества первой цифрой цифрового кода. Например, ОУ LM158/LM258/LM358, компараторы LM193/LM293/LM393, регулируемые трехвыводные стабилизаторы TL117/TL217/TL317 и пр. совершенно идентичны по внутренней структуре, но различаются по температурному рабочему диапазону. Для LM158 (TL117) диапазон рабочих температур составляет от минус 55 до +125…150 градусов по Цельсию (т.н. «боевой» или военный диапазон), для LM258 (TL217) - от минус 40 до +85 градусов («промышленный» диапазон) и для LM358 (TL317) - от 0 до +70 градусов («бытовой» диапазон). При этом цена на них может быть совершенно не соответствующей такой градации, либо отличаться очень незначительно (неисповедимы пути ценообразования !). Так что покупать их можно с любой маркировкой, доступной «для кармана» начинающего, особо не гоняясь за первой «тройкой».

После исчерпания первых трех сотен цифровой маркировки группы надежности стали отмечать буквами, значение которых расшифровываются в даташитах (Datasheet дословно переводится как «таблица данных») на данные компоненты.

Заключение

Вот мы и изучили «азбуку» работы ОУ, немного захватив и компараторы. Дальше надо учиться складывать из этих «букв» слова, предложения и целые осмысленные «сочинения» (работоспособные схемы).

К сожалению, «Невозможно объять необъятное». Если изложенный в данной статье материал помог понять, как работают эти «черные ящики», то дальнейшее углубление в разбор их «начинки», влияния входных, выходных и переходных характеристик, является задачей более продвинутого изучения. Информация об этом подробно и досконально изложена во множестве существующей литературы. Как говаривал дедушка Вильям Оккам: «Не следует умножать сущности сверх необходимого». Незачем повторять уже хорошо описанное. Нужно только не лениться и прочитать её.

11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html

Засим позвольте откланяться, с уважением и проч., автор Алексей Соколюк ()

Обратной связью (ОС) называется явление передачи части энергии усиленных колебаний из выходной цепи усилителя в его входную цепь.

Причинами, способствующими передаче энергии с выхода на вход усилителя, могут быть :

а) физические свойства и конструктивные особенности применяемых транзисторов (наличие емкостей и индуктивностей выводов, емкостей р -п -переходов и пр.). Возникающая при этом ОС называется внутренней обратной связью ;

в) специальные цепи, введенные конструктором для передачи колебаний с выхода усилителя на его вход с целью придать устройству нужные свойства. Такую обратную связь называют внешней обратной связью.

Из перечисленных видов ОС первые два являются нежелаемыми, поэтому конструктор вынужден принимать дополнительные меры к их устранению.

Цепь, по которой осуществляется передача энергии с выхода усилителя на его вход, называется цепью обратной связи .

Обычно цепь ОС представляет собой некоторый линейный пассивный четырехполюсник с коэффициентом передачи g, вход которого присоединен к выходу усилителя, а выход - ко входу усилителя (рисунок 2.9). В общем случае четырехполюсник ОС может быть линейным или нелинейным, с частотозависимым или частотонезависимым коэффициентом передачи.

Рисунок 2.9 - Усилитель с цепью обратной связи

Цепь обратной связи может быть общей , охватывающей все или несколько каскадов усилителя (рисунок 2.10, а , б ), или местной , охватывающей отдельные каскады (рисунок 2.10, б , цепь ОС с коэффициентом передачи g 1).

а

б

Рисунок 2.10 - Виды обратных связей

При сложении колебаний источника сигнала с колебаниями, поступающими с выхода усилителя через цепь ОС, на входе усилителя образуется результирующее колебание. Результирующее колебание равняется сумме двух колебаний, если оба эти колебания складываются в фазе , или разности двух колебаний, если они складываются в противофазе . В первом случае имеет место положительная обратная связь (ПОС),во втором - отрицательная обратная связь (ООС).

Практическое совпадение или противоположность фаз возможно только в ограниченном диапазоне усиливаемых частот, так как присущие усилителям фазовые сдвиги изменяются с частотой. Это может привести к тому, что обратная связь, отрицательная для одних частот, превратится в положительную для других. Поэтому принято относить обратную связь к отрицательной или положительной по тому, какой знак она имеет в основной части диапазона усиливаемых частот (то есть в пределах полосы пропускания усилителя).

Внешнюю обратную связь, создаваемую с помощью специальной цепи обратной связи, всегда можно отнести к тому или иному виду, зная способ соединения этой цепи с усилителем.

Различают следующие четыре основных вида обратных связей в усилителе (первая часть названия определяет способ подключения выхода цепи ОС ко входу усилителя, а вторая - способ подключения входа цепи ОС к выходу усилителя):

- последовательная ОС по напряжению ;

- параллельная ОС по напряжению ;

- последовательная ОС по току ;

- параллельная ОС по току .

Если источник входного сигнала соединен последовательно с входом усилителя и выходом цепи ОС, то обратная связь называется последовательной (рисунок 2.11, а ). В этом случае сигнал обратной связи u св подается на вход усилителя последовательно с входным сигналом и вх .

Параллельная обратная связь имеет место тогда, когда цепь обратной связи включается параллельно источнику входного сигнала (рисунок 2.11, б ). При параллельной обратной связи на входе усилителя происходит алгебраическое сложение (с учетом полярности или начальной фазы) токов, а не напряжений, как в случае последовательной обратной связи.

Таким образом, при последовательной отрицательной обратной связи в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается из напряжения источника сигнала, а при параллельной отрицательной обратной связи в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего источника сигнала.

а б

Рисунок 2.11 - Последовательная (а ) и параллельная (б ) ОС

По способу включения обратной связи на выходе усилителя различают обратную связь по напряжению и току. При обратной связи по напряжению выход усилителя, нагрузка и цепь обратной связи соединены параллельно друг другу (рисунок 2.12, а ). В этом случае сигнал обратной связи пропорционален выходному напряжению усилителя. Если выход усилителя, нагрузка и цепь обратной связи соединены последовательно (рисунок 2.12, б ), то имеет место обратная связь по току, при которой сигнал обратной связи пропорционален току через нагрузку.

а б

Рисунок 2.12 - ОС по напряжению (а ) и по току (б )

Для определения, какая ООС имеет место, по току или по напряжению, необходимо учитывать следующее. В режиме короткого замыкания нагрузки (при R Н = 0) обратная связь по напряжению исчезает, а по току - сохраняется. В режиме холостого хода (то есть при R Н ® ¥) обратная связь по напряжению сохраняется, а по току - исчезает.

Влияние отрицательной обратной связи на основные параметры и характеристики усилителей

Влияние ООС на коэффициенты усиления усилителя .

Усилитель, охваченный обратной связью (рисунок 2.13), можно представить в виде собственно усилителя (без обратной связи) с коэффициентом усиления K U , на входе которого действует напряжение U , и четырехполюсника обратной связи, обладающего коэффициентом передачи g.

Рисунок 2.13 - Усилитель с цепью последовательной ООС

Рассмотрим случай, когда имеет место последовательная ООС по входу. Тогда напряжение U вх , поступающее с выхода источника сигнала на вход усилителя противоположно по фазе напряжению обратной связи U св . В этом случае можно записать

. (2.24)

Разделим левую и правую части уравнения (2.24) на U вых :

. (2.25)

В равенстве (2.25) - коэффициент усиления напряжения усилителя без ОС. Отношение представляет собой коэффициент усиления напряжения усилителя, охваченного цепью ООС, а - коэффициент передачи четырехполюсника цепи ООС. Тогда равенство (2.25) можно переписать в виде

,

. (2.26)

Таким образом, из полученного выражения видно, что при последовательной ООС по входу коэффициент усиления напряжения усилителя, охваченного обратной связью K U ООС , меньше, чем его собственный коэффициент усиления K U (то есть коэффициент усиления напряжения этого же усилителя, но без цепи ООС). Причем выражение справедливо, независимо от того, какой вид ООС по выходу - последовательная по току или последовательная по напряжению . Произведение gK U называется петлевым усилением , а величина F = 1 + gK U - глубиной ООС. Для положительной ОС глубина обратной связи определяется выражением: F = 1 - gK U .

Глубина обратной связи показывает, во сколько раз изменится коэффициент усиления усилителя при введении цепи ОС. Если при наличии ООС выполняется условие gK U >> 1, то говорят, что усилитель охвачен глубокой (стопроцентной) обратной связью. В этом случае коэффициент усиления усилителя с обратной связью не зависит от его собственного коэффициента усиления и определяется только коэффициентом передачи цепи обратной связи g. Действительно при условии gK U >> 1

. (2.27)

При последовательной обратной связи коэффициент усиления тока не изменяется , так как в этом случае коэффициент усиления тока равен

, (2.28)

то есть не отличается от коэффициента усиления тока усилителя без обратной связи K I . Это объясняется следующим. При неизменных параметрах источника сигнала и нагрузки усилителя отрицательная обратная связь уменьшает напряжение сигнала на выходе усилителя в F раз и во столько же раз уменьшается выходной ток. Но так как при последовательной обратной связи увеличивается входное сопротивление усилителя также в F раз (будет показано позже), то уменьшается входной ток и коэффициент усиления тока не изменяется.

При параллельной отрицательной обратной связи (и по току, и по напряжению, рисунок 2.14) коэффициент усиления напряжения не изменяется, то есть в этом случае можно записать

. (2.29)

Рисунок 2.14 - Усилитель с цепью параллельной ООС

Выведем соотношение для определения коэффициента усиления тока в усилителе при наличии параллельной обратной связи по входу.

Собственный коэффициент усиления тока усилителя K I равен:

. (2.30)

Учитывая, что , получим

. (2.31)

Можно показать, что полученное выражение справедливо, независимо от того, какой вид отрицательной обратной связи по выходу - параллельная по току или параллельная по напряжению .

Влияние ООС на входное и выходное сопротивления усилителя .

Обратная связь оказывает существенное влияние на входное и выходное сопротивления усилителя.

Входное сопротивление усилителя с ООС зависит от способа подключения цепи ООС ко входу усилителя и не зависит от способа ее подключения к выходу. Выходное сопротивление усилителя с ООС наоборот зависит от способа подключения цепи ООС к выходу усилителя и не зависит от способа ее подключения ко входу этого усилителя.

Рассмотрим, как проявляется влияние различных видов ООС на входное сопротивление усилителя .

Для определения влияния последовательной обратной связи на входное сопротивление усилителя воспользуемся схемой, приведенной на рисунке 2.13. Анализ схемы показывает, что выражение для определения входного сопротивления усилителя с последовательной ООС будет иметь вид

(2.32)

где R вх - входное сопротивление усилителя без ООС;

K U - коэффициент усиления напряжения усилителя без ООС в пределах полосы пропускания (в области средних частот).

Из последнего выражения следует, что при последовательной ООС входное сопротивление усилителя увеличивается в (1 + gK U ) раз.

Однако входное сопротивление усилителя обычно носит комплексный характер, поэтому для полной оценки влияния ООС на входное сопротивление последнее необходимо записать в комплексном виде

. (2.33)

Для определения влияния параллельной ООС на входное сопротивление усилителя воспользуемся схемой, приведенной на рисунке 2.14. Анализ схемы показывает, что параллельная ООС уменьшает входное сопротивление усилителя, так как при таком виде ООС к входному сопротивлению усилителя R вх как бы присоединяется параллельно сопротивление R св .

Для количественной оценки влияния параллельной ООС на входное сопротивление усилителя используют выражение:

, (2.34)

или, в общем случае, выражение

. (2.35)

Таким образом, ООС позволяет управлять значением входного сопротивления усилителя и обеспечивать как достаточно высокие (сотни кОм - десятки МОм) - при последовательной ООС, так и достаточно низкие (десятые - тысячные доли Ом) - при параллельной ООС входные сопротивления.

Выходное сопротивление усилителя сильно зависит от того, каким образом снимается сигнал ООС. Если он снимается по напряжению, то выходное сопротивление уменьшается, а если по току - то увеличивается.

Для количественной оценки влияния ООС по напряжению на выходное сопротивление усилителя используют выражение:

, (2.36)

где R вых - выходное сопротивление усилителя без ООС.

Для расчета выходного сопротивления усилителя в диапазоне частот за пределами полосы пропускания используют выражение:

. (2.37)

Из последнего выражения следует, что введение в усилитель ООС по напряжению уменьшает его выходное сопротивление в F раз.

Физический смысл действия ООС по напряжению заключается в следующем. Любая ООС стремится поддержать неизменным значение того параметра, который используется для получения обратной связи. Поэтому ООС по напряжению при действии внешних возмущений, в частности, при изменении выходного тока, стремится поддержать неизменным значение выходного напряжения усилителя. Это эквивалентно уменьшению его выходного сопротивления.

Оценка влияния ООС по току на выходное сопротивление электронного усилителя осуществляется на основе выражения

или, соответственно,

Из (2.39) следует, что при ООС по току выходное сопротивление усилителя увеличивается .

Таким образом, введение ООС может быть использовано для целенаправленного изменения выходного сопротивления усилителя и позволяет реализовать усилитель с очень малым (сотые доли Ом) или очень большим (сотни кОм - десятки МОм) выходным сопротивлением. При использовании ООС по напряжению усилитель приближается к идеальному источнику напряжения, выходной сигнал которого мало изменяется при различных сопротивлениях нагрузки. ООС по току стабилизирует ток нагрузки, приближая усилитель к идеальному источнику тока.

Влияние ООС на нелинейные искажения и амплитудную характеристику усилителя .

Ранее было установлено, что последовательная ООС уменьшает коэффициент усиления напряжения, а, следовательно, уменьшает угол наклона амплитудной характеристики (рисунок 2.15). Из рисунка видно, что введение в усилитель последовательной ООС приводит к расширению его динамического диапазона (поскольку ) и к снижению величины нелинейных искажений.

Рисунок 2.15 - Изменение амплитудной характеристики усилителя при наличии цепи ООС

Если напряжение U вых 2 (рисунок 2.15) - максимальное напряжение на выходе усилителя, при котором его еще можно считать линейным устройством - принять одинаковым для усилителя без ООС и усилителя с ООС (это допустимо, поскольку величина U вых 2 в основном зависит от параметров используемого активного элемента и напряжения источника питания), то можно записать

,

Согласно (2.12) нелинейные искажения в усилителе без обратной связи можно оценить с помощью формулы

,

где - эквивалентное суммарное напряжение высших гармоник.

Введение в усилитель цепи последовательной ООС приводит к уменьшению выходного напряжения усилителя, равного , а, следовательно, и каждой гармоники этого напряжения, в F раз, то есть можно записать

Из (2.41) следует, что для поддержания выходного напряжения в усилителе с ООС на том же уровне, что и в усилителе без ООС, необходимо входное напряжение увеличить в F раз. Но при этом амплитуда первой гармоники в выходном напряжении, при неизменном напряжении , также увеличится в F раз. Тогда можно записать

. (2.42)

Таким образом, введение в усилитель последовательной ООС позволяет расширить его динамический диапазон и уменьшить коэффициент гармоник (снизить нелинейные искажения) примерно в 1 + gK U раз.

Влияние ООС на частотную и фазовую характеристики усилителя .

Ранее при анализе влияния ООС на различные параметры усилителя мы исходили из того, что коэффициент усиления усилителя K U и коэффициент передачи цепи ООС g являются вещественными (то есть оценивалось влияние ООС на частотах в пределах полосы пропускания). Однако как показано в п. 2.1.3.2, за пределами полосы пропускания коэффициент усиления носит комплексный характер.

Коэффициент передачи цепи ООС в общем случае также может быть комплексным. А это значит, что реальный усилитель всегда вносит дополнительные фазовые сдвиги в усиливаемый сигнал, значения которых зависят от параметров компонентов, схемы усилителя и диапазона усиливаемых частот. Эти фазовые сдвиги обусловлены наличием реактивных элементов в цепях усилителя и инерционными свойствами активных приборов (например, транзисторов).

С учетом названных причин выражение (2.26) должно быть записано в виде:

, (2.43)

где (j к - угол сдвига фаз между выходным и входным напряжениями усилителя);

(j g - угол сдвига фаз между напряжениями на выходе и входе цепи обратной связи).

Обычно комплексный характер учитывают на частотах и меньше, чем изменения

Для какой-либо частоты петлевое усиление представляет собой действительную отрицательную величину (баланс фаз);

Величина петлевого усиления на этой частоте больше или равна единице (баланс амплитуд).

В однокаскадных усилителях чаще всего можно применять достаточно глубокую ООС, не опасаясь за то, что на краях частотного диапазона она может вызвать самовозбуждения в усилителе. В то же время в многокаскадных усилителях (которые в большинстве случаев применяются на практике) приходится применять дополнительные меры для предотвращения самовозбуждения. Особенно важно это в широкополосных усилителях.

На рисунке 2.17 приведен пример АЧХ однокаскадного усилителя без ООС (K U (w)) и этого же усилителя, охваченного цепью ООС (K UООС (w)). Из рисунка видно, что при охвате каскада цепью ООС одновременно с уменьшением коэффициента усиления напряжения происходит расширение полосы пропускания усилителя. Граничные частоты полосы пропускания однокаскадного усилителя с ООС определяют из выражений

, (2.45)

Рисунок 2.17 - Иллюстрация влияния ООС на ширину полосы пропускания усилителя

Подводя итог изложенному выше, отметим, что введение частотно-независимой ООС улучшает частотные характеристики усилителя, способствует расширению полосы пропускания и снижению частотных искажений в пределах заданного диапазона частот. Кроме этого ООС по напряжению обеспечивает стабилизацию выходного напряжения и коэффициента усиления напряжения усилителя, а ООС по току - стабилизацию выходного тока.