Преобразование частоты сигнала: схемы, спектры, инверсия
Под преобразованием частоты понимают перемещение спектра сигнала по шкале частот без изменения соотношений между его компонентами.
Основными устройствами, где применяется преобразование частоты, являются радиоприемные устройства, в которых осуществляется перенос спектра в область более низких частот в целях повышения эффективности фильтрации помех. Также преобразование частоты производится и во входных каскадах ретрансляторов радиорелейных линий связи для обеспечения фильтрации помех, после чего в их выходных каскадах реализуется восстановление передаваемого сигнала посредством преобразования его частоты до значения входного сигнала.
Рассмотрим преобразование частоты с помощью параметрической цепи, ток в которой определяется выражением
Данному соотношению соответствует схема, содержащая параметрический резистивный элемент с проводимостью (Формула), изменяющейся пропорционально сигналу u2 (рис. 3.11).
Здесь могут применяться нелинейные элементы (полупроводниковые диоды, транзисторы), которые при воздействии сильного сигнала изменяют свои параметры. В качестве такого сигнала используют гармоническое колебание, получаемое от отдельного генератора. (В радиоприемниках такой генератор называется гетеродином.)
Рис. 3.11. Схема параметрической цепи с резистивным элементом
Рис. 3.12. Функциональная схема преобразователя частоты
Пусть на вход преобразователя, функциональная схема которого показана на рис. 3.12, поступает сигнал (Формула), и гетеродин формирует гармоническое колебание (Формула).
Подставив эти выражения в формулу тока, получим
Для выделения любого из этих колебаний на выходе преобразователя частоты включается полосовой фильтр, настроенный либо на разностную, либо на суммарную частоту. В первом случае выполняется преобразование вниз, а во втором — преобразование вверх (рис. 3.13).
Отдельно остановимся на случае, когда частота колебания гетеродина больше частоты входного сигнала, т. е. (Формула) или (Формула). Отрицательное значение частоты физического смысла не имеет, поэтому данное колебание, поскольку косинус — четная функция, представляют в следующем виде:
Рис. 3.13. Спектры сигналов: а — исходного; б — преобразованных вверх и вниз
Рис. 3.14. Инверсия спектра в процессе преобразования частоты
Рис. 3.15. Схема фазокомпенсационного преобразователя частоты
Рассмотрим также метод преобразования частоты, соответствующий случаю, когда частотные составляющие на выходе нельзя разделить с помощью фильтра.
Схема соответствующего преобразователя показана на рис. 3.15. Здесь фазовращатель — элемент, поворачивающий фазу на 90° (π/2), фактически реализует преобразование Гильберта. Такая схема называется фазокомпенсационным преобразователем, а в некоторых источниках ее называют оптимальным преобразователем.
Где применяются
Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ — непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения — усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.
В ИУ происходит сдвиг сигналов по фазе. Для изменения знака выходного отрицательного напряжения необходима параллельная ОС по U. Вход, который является неинвертирующим, нужно заземлить. Входной сигнал через резистор подается на инвертирующий вход. Если неинвертирующий вход уходит на землю, то разность U между входами ОУ равна 0.
Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:
- Предусилители.
- Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
- Компараторы U.
- Дифусилители.
- Диференциаторы.
- Интеграторы.
- Фильтрующие элементы.
- Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
- Стабилизаторы U и I.
- Вычислители аналогового типа.
- АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
- ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
- Устройства для генерации различных сигналов.
- Компьютерная техника.
Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.
Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют
Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы
Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется
Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен
Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность
Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?
Инвертирующий усилитель
Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на операционных усилителях (ОУ) (рис. 1). Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу. В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю.
Рис. 1 — Схема инвертирующего усилителя на ОУ
Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид:
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:
Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.
Входное сопротивление определяется резистором R1 (). Если его сопротивление, например 100 кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100 кОм. близко к нулю
Отсутствует цепь для отвода тока смещения при связи по переменному току
Одна из наиболее распространенных ошибок при применении связи по переменному току в схемах с операционными или инструментальными усилителями — это отсутствие цепи постоянного тока для стекания тока смещения. На рис. 1 включение последовательно с неинвертирующим входом (+) ОУ конденсатора для связи по переменному току является простым способом не пропустить постоянную составляющую, имеющуюся во входном напряжении (VIN). Это особенно полезно для схем с большим усилением, где даже небольшое постоянное напряжение на входе может ограничить динамический диапазон или вызвать насыщение выхода. Однако емкостная связь на высокоомном входе приведет к неприятностям, если не обеспечить цепь постоянному току, текущему в неинвертирующий вход или из него.
Рис. 1. Неработоспособная схема на ОУ со связью по переменному току
Инвертирующий усилитель с однополярным питанием
В некоторых случаях нам даже иногда нужно переместить нулевой уровень на более высокий «пьедестал», чтобы мы могли полностью усиливать сигнал, если дело касается однополярного питания. Работать с однополярным питанием всегда проще и удобнее, чем с двухполярным. Поэтому, в этом случае надо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усиливать переменный сигнал. То есть добавить постоянную составляющую в сигнал. В этом случае схема примет чуть-чуть другой вид:
Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?
То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.
Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?
Как вы видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала вырезается полностью. Оно и понятно, так как напряжение питания у нас однополярное и проломить «пол» нулевого потенциала невозможно. Но можно сделать одну хитрость: поднять «уровень пола» и дать сигналу место для размаха.
В этом случае нам надо добавить Uсм , для того, чтобы поднять сигнал над уровнем «пола». Но не все так просто, дорогие друзья!
Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:
Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение Uвых ? Оно должно иметь значение половины Uпит , чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.
В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть Uпит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим Uпит = 30 В. Рассчитываем Uсм :
Проверяем симуляцию, все ок!
Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал — это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.
То есть получилось что-то типа вот этого:
Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр из дифференцирующей цепи, с помощью которого можно отсекать лишние частоты.
Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
Исходные данные для расчета представлены в таблице 71.
Таблица 71. Исходные данные для расчета инвертирующего усилителя
| Вход | Выход | Питание | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| ViMin | ViMax | VoMin | VoMax | Vcc | Vee | Vref |
| -1 В | 2 В | 0,05 В | 4,95 В | 5 В | 0 В | 1,259 В |
Описание схемы
Данная схема инвертирующего усилителя со входным смещением используется для преобразования входного сигнала -1…2 В в положительный сигнал 0,05…4,95 В (рисунок 81). Схема может применяться для масштабирования и смещения сигнала датчика с целью дальнейшей оцифровки при помощи АЦП.
Рис. 81. Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
Рекомендуем взять на заметку:
- следует использовать операционный усилитель в линейном рабочем диапазоне напряжений. Он определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
- синфазное напряжение усилителя равно напряжению смещения;
- источник опорного напряжения Vref может быть образован резистивным делителем;
- входное сопротивление схемы тождественно сопротивлению R2;
- для обеспечения стабильности следует использовать резисторы обратной связи с номиналом менее 100 кОм. Использование высокоомных резисторов уменьшит запас по фазе, но вызовет повышение уровня собственных шумов схемы;
- частота среза схемы зависит от произведения коэффициента усиления на полосу пропускания (GBP) выбранного ОУ;
- дополнительную фильтрацию можно осуществить посредством добавления параллельно резистору R конденсатора, который тоже способствует повышению устойчивости схемы.
Порядок расчета
Рассчитаем коэффициент усиления схемы по формуле 2:
- Выберем сопротивление резистора R2 = 6,81 кОм.
- Рассчитаем R1 по формуле 3:
$$R_=G_;\:R_=1.633\frac\times 6.81\:кОм=11.12\:кОм\approx 11.1\:(номинал).$$
Рассчитаем Vref по формуле 1, например, используя максимальное входное и минимальное выходное напряжение:
Моделирование схемы
Передаточная характеристика схемы показана на рисунке 82.
Рис. 82. Передаточная характеристика схемы
Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) показано на рисунке 83.
Рис. 83. Частотная характеристика схемы
Рекомендации
Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 72.
Таблица 72. Параметры ОУ, используемого в расчете
| TLV9001 | |
|---|---|
| Vss | 1,8…5,5 В |
| VinCM | Rail-to-rail |
| Vout | Rail-to-rail |
| Vos | 0,4 мВ |
| Iq | 60 мкА |
| Ib | 5 пА |
| UGBW | 1 МГц |
| SR | 2 В/мкс |
| Число каналов | 1, 2, 4 |
В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 73.
Таблица 73. Параметры альтернативного ОУ
| OPA376 | |
|---|---|
| Vss | 2,2…5,5 В |
| VinCM | Rail-to-rail |
| Vout | Rail-to-rail |
| Vos | 5 мкВ |
| Iq | 760 мкА |
| Ib | 0,2 пА |
| UGBW | 5,5 МГц |
| SR | 2 В/мкс |
| Число каналов | 1, 2, 4 |
Инвертирующий сумматор с усилением
Инвертирующий сумматор с усилением иногда называют масштабным усилителем или нормирующим сумматором. Он имеет схему аналогичную обычному инвертирующему сумматору, а особенности его работы заключаются в выборе величин резистора обратной связи и входных резисторов. Так если в смесителе сигналов все резисторы беруться одинакового номинала, чтобы коэффициент усиления в каждом канале был равен единице, то в сумматоре с усилением резистор обратной связи R4 не изменяется, а входные резисторы подбираются в зависимости от требуемого коэффициента усиления в канале
Инвертирующий сумматор с усилением находит применение в схемах, где в разные каналы усиления приходят сигналы с разными уровнями напряжения, а на выходе схемы необходимо получать одинаковый уровень сигнала для всех каналов усиления.
Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП
На рис. 7 приведена схема с однополярным питанием, в которой напряжение на несимметричный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подается с инструментального усилителя. Опорное напряжение усилителя обеспечивает напряжение смещения, соответствующее нулевому дифференциальному входному напряжению, а опорное напряжение АЦП обеспечивает коэффициент масштабирования. Для снижения внеполосного шума между выходом ИУ и входом АЦП часто применяется простой сглаживающий RC-фильтр нижних частот. Разработчики часто соблазняются простыми решениями — например, для подачи опорного напряжения на ИУ и АЦП применяют резистивные делители вместо низкоомного источника. Для некоторых ИУ это может послужить причиной появления погрешности.
Рис. 7. Типичная схема подачи сигнала с ИУ на АЦП с однополярным питанием
Элементы для проектирования аналоговых схем
Аналоговые схемы, как и цифровые, тоже состоят из полупроводников, но в них используются совершенно другие компоненты. Помимо преобразования сигналов, одним из применений аналоговых схем является обработка электричества и распределения через материнская плата или печатная плата карты расширения.
Значительная часть элементов, которые мы собираемся определить дальше, будет казаться вам знакомой по базовой электронике, которую некоторые из вас использовали в средних школах. Таким образом, мы говорим не о каких-либо научно-фантастических технологиях, а об общих компонентах, которые можно найти повсюду.
Резисторы
Резисторы являются одним из основных компонентов для построения аналоговых схем, поскольку среди их основных функций является то, что они могут адекватно распределять ток и напряжение между различными частями электронной схемы.
Резисторы используются для уменьшения силы тока за счет уменьшения его напряжения. Вот почему, если вы посмотрите на электронную схему с процессором посередине, вы увидите, как это цепь последовательного резистора. Которые используются для последовательного деления напряжения.
Любопытно, что в старых аналоговых видеосистемах использовалась система резисторов, поскольку вывод того или иного цвета через видеосигнал зависел от напряжения, с которым сигнал передавался.
Конденсаторы
Конденсаторы, также называемые конденсаторами по их английскому названию, являются очень распространенными элементами в схемотехнике. Его функция — временно сохранять электрический заряд, а затем высвобождать его. Это достигается за счет использования двух токопроводящих пластин, разделенных изоляционным материалом.
Чтобы понять функциональность конденсатора, вы должны представить поток электрического тока в виде реки с большой силой, которая внезапно встречает плотину, которая замедляет эту силу и выводит воду более плавным образом. Разница в том, что конденсатор делает это с достигающим его электрическим током.
Трансформаторы
Да, в блоке питания вашего ПК есть аналоговая схема. Какая у вас функция? Ну, что о повышении и понижении напряжения в электрической цепи переменного тока. В этом процессе теряется электрическая мощность, поэтому входная мощность не совпадает с выходной. Когда мы говорим об эффективности трансформатора, мы говорим о проценте мощности, которая теряется в процессе.
Диоды
Диоды — это электронные компоненты с двумя выводами, которые допускают электрическую циркуляцию только в одном из двух направлений. Мы называем один из выводов анодом, и это заставляет ток всегда течь в направлении другого конца, который является катодом.
В мире вычислений и до появления ПЗУ данные, предназначенные только для чтения, хранились путем создания взаимосвязанных диодных схем. Сегодня диоды больше не используются в этом смысле, но распространенным типом диодов является светодиодный диод, который используется для освещения определенных областей для передачи информации о различных состояниях.
Биполярные транзисторы
Транзисторы являются основой цифровой электроники, поскольку память и процессоры, которые мы используем ежедневно, состоят из сотен и даже миллиардов транзисторов очень небольшого размера, но транзисторы зародились в аналоговых схемах, являющихся одним из самых известных приложений. «транзисторное» радио, которое заменило использование электронных ламп и отправило в небытие старые мебельные радиоприемники.
Чаще всего в аналоговых схемах используются так называемые биполярные транзисторы, которые мы можем найти не только в аппаратном обеспечении ПК, но и в бытовой электронике. Его название — это размер английского термина «передаточный резистор», который переводится как передаточное сопротивление. Его функциональность? Они выполняют функции усилителя, переключателя, генератора или выпрямителя электрического сигнала, поэтому они очень универсальны и позволяют создавать более сложные электронные схемы, чем те, которые мы видели.
Ваша прибыль? Разнообразные, они используются для усиления сигнала, что очень важно на радио, телевидении и даже при использовании музыкальных инструментов. Они также используются для генерации новых сигналов, например радиочастотных сигналов, таких как Wi-Fi
Его коммутационная способность не только позволяет вам управлять источниками питания и действовать как переключатели, но с их помощью вы можете построить схему широтно-импульсной модуляции или ШИМ-схему для управления вентилятором видеокарты.
Корректная подача опорного напряжения в ИУ
Часто полагают, что вход для подачи опорного напряжения высокоомный (поскольку это вход). Так, разработчики могут соблазниться подключить высокоомный источник, например резистивный делитель, к выводу ИУ для опорного напряжения. С некоторыми типами инструментальных усилителей это может привести к значительным погрешностям (рис. 8).
Рис. 8. Неправильное использование простого делителя напряжения для непосредственной подачи опорного напряжения в инструментальный усилитель из трех ОУ
Например, в конструкции популярного ИУ применено три ОУ, соединенных, как показано выше. Общий коэффициент усиления равен:
где R2/R1 = R4/R3.
Коэффициент передачи для входа опорного напряжения равен единице (при подаче напряжения от источника с низким импедансом). Однако в рассматриваемом случае вывод опорного напряжения ИУ подключен к простому делителю напряжения на резисторах. Это приводит к разбалансу схемы вычитания и нарушает коэффициент деления делителя напряжения. В свою очередь, это снижает коэффициент подавления синфазного сигнала в ИУ и точность его коэффициента усиления. Однако если бы внутренний резистор R4 был нам доступен, то при снижении его сопротивления на величину, равную параллельному соединению двух резисторов делителя напряжения (здесь 50 кОм), схема вела бы себя так, будто к изначальному сопротивлению резистора R4 подключен низкоомный источник, равный (в данном примере) половине напряжения питания, и точность схемы вычитания была бы сохранена.
Этот подход невозможен, если ИУ — интегральная схема в закрытом корпусе. Еще одна проблема заключается в том, что температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) внешних резисторов делителя отличаются от ТКС резистора R4 и других резисторов схемы вычитания. И, наконец, такой подход не позволяет регулировать значение опорного напряжения. Если, с другой стороны, попытаться использовать в делителе напряжения низкоомные резисторы, чтобы влияние их добавленного сопротивления было бы пренебрежимо малым, то ток потребления от источника питания и рассеиваемая мощность схемы увеличатся. В любом случае, такой метод «грубой силы» не приносит успеха.
На рис. 9 показано лучшее решение — применение буфера на ОУ с малым потреблением энергии между делителем напряжения и входом опорного напряжения ИУ. Это ликвидирует необходимость подбора сопротивления и проблему резисторов с разными ТКС, а также дает возможность легко регулировать опорное напряжение.
Рис. 9. Подача опорного напряжения на ИУ с низкоимпедансного выхода ОУ
Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП
На рис. 7 приведена схема с однополярным питанием, в которой напряжение на несимметричный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подается с инструментального усилителя. Опорное напряжение усилителя обеспечивает напряжение смещения, соответствующее нулевому дифференциальному входному напряжению, а опорное напряжение АЦП обеспечивает коэффициент масштабирования. Для снижения внеполосного шума между выходом ИУ и входом АЦП часто применяется простой сглаживающий RC-фильтр нижних частот. Разработчики часто соблазняются простыми решениями — например, для подачи опорного напряжения на ИУ и АЦП применяют резистивные делители вместо низкоомного источника. Для некоторых ИУ это может послужить причиной появления погрешности.
Рис. 7. Типичная схема подачи сигнала с ИУ на АЦП с однополярным питанием
Дифференциальный усилитель на ОУ. Принцип работы
Иногда возникает необходимость вычесть два сигнала. Классическим примером является измерение тока на резисторе, которое практикуется в различных источниках питания и инверторах, при чтении температуры с термопары или напряжения моста Уитстона.
Самый простой способ использовать схему вычитания так называемый дифференциальный усилитель (не путать с дифференциатором!). Если нам необходимо вычислить разницу между двумя сигналами, то достаточно будет одного операционного усилителя и четырех одинаковых резисторов:
Но зачастую мы имеем дело с очень слабыми сигналами, так что не мешало бы, помимо вычитания, усилить полученную разницу. Для этого используем слегка измененную схему, которая отличается значениями резисторов:
Электрический паяльник с регулировкой температуры
Мощность: 60/80 Вт, температура: 200’C-450’C, высококачествен…
Подробнее
Ничто нам не мешает еще больше изменить значения резисторов, однако, мы не видели, чтобы кто-то использовал подобную схему, как показано ниже:
Несмотря на то, что третья схема уже довольно сильно запутана, это все еще также рабочая схема. Резисторы R3 и R4 образуют обычный делитель напряжения. Напряжение на неинвертирующем входе усилителя (+) такое же, как и на инвертирующем входе (-), поскольку работа операционного усилителя основана на 3 основных правилах:
Если мы знаем, входное напряжение U1 и напряжение на инвертирующем входе (-), то значит, мы знаем и напряжение на резисторе R1. Далее, из закона Ома, вычислим, какой ток течет через него (R1), и этот же ток течет далее через резистор R2. Зная сопротивление R2, вычислим падение напряжения на этом резисторе, а это даст нам конечный результат.
Дифференциальный усилитель имеет, к сожалению, два серьезных недостатка, которые перечеркивают его во многих ситуациях:
- Первый недостаток — низкое входное сопротивление, которое зависит от величины резистора (как и в инвертирующим усилителе). В случае, когда мы измеряем очень слабый сигнал с термопары или моста Уитстона, то усилитель даст существенную ошибку в измерительную систему.
- Второй недостаток — нелегко изменить коэффициент усиления. Чтобы это сделать, нужно одновременно изменить значение двух резисторов, что на практике очень сложно. Нужно иметь спаренный потенциометр или ввести систему аналоговых мультиплексоров, что значительно усложнит схему.
Таким образом, дифференциальный усилитель является простой схемой, но его практическое применение довольно сильно ограничено. Лучше использовать чуть более сложную, но качественную схему измерительного усилителя.
Что такое операционный усилитель
ОУ – интегральная микросхема (ИМС), основным предназначением которой является усиление значения постоянного тока. Она имеет только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход обладает высоким коэффициентом, усиливающим сигнал (Kу). ОУ в основном применяются при построении схем с отрицательной обратной связью (ООС), которая при основной ТХ по усилению и определяет Kу исходной схемы. ОУ применяются не только в виде отдельных ИМС, но и в разных блоках сложных устройств.
У ОУ 2 входа и 1 выход, а также есть выводы для подключения источника питания (ИП). Принцип действия операционного усилителя прост. Существует 2 правила, взятых за основу. Правила описывают простые процессы работы ИМС, происходящие в ОУ, и как работает ИМС, понятно даже чайникам. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы ОУ почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V+), а другой является инвертирующим (V-). Кроме того, входы ОУ обладают высоким сопротивлением (R) и практически не потребляют I.
Чип сравнивает значения U на входах и выдает сигнал, предварительно усиливая его. Kу ОУ имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если произойдет подача низкого U на вход, то на выходе возможно получить величину, равную U источника питания (Uип). Если U на входе V+ больше, чем на V-, то на выходе получится максимальное положительное значение. При запитывании положительным U инвертирующего входа на выходе будет максимальная величина отрицательного напряжения.
Основным требованием для работы ОУ является применение двухполярного ИП. Возможно применение однополярного ИП, но при этом возможности ОУ сильно ограничиваются. Если использовать батарейку и принять за 0 ее плюсовую сторону, то при измерении значений получится 1,5 В. Если взять 2 батарейки и соединить их последовательно, то произойдет сложение U, т.е. прибор покажет 3 В.
Если принять за ноль минусовой вывод батарейки, то прибор покажет 3 В. В другом случае, если принять за 0 плюсовой вывод, то получается -3 В. При использовании в качестве нуля точки между двумя батарейками получится примитивный двухполярный ИП. Проверить исправность ОУ можно только при подключении его в схему.
Инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением
В предыдущей схеме соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо проекта. Например, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1 МОм, а R1=10 кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно. В этих случаях можно применить следующую схему изображенную на рис. 2.
Рис. 2 — Схема инвертирующего усилителя на ОУ с повышенным входным сопротивлением
В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:
То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1
можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.
Дифференциатор
Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана на рис. 20. Для дифференцирования сигналов применяют дифференциатор на ОУ, состоящий из ОУ DA1, входного конденсатора С1 и резистора R1, через который осуществляется положительная обратная связь с выхода ОУ на его вход.
При поступлении сигнала на вход дифференциатора конденсатор С1 начинает заряжаться током , за счёт принципа виртуального замыкания ток такой же величины будет протекать и через резистор R1. В результате на выходе ОУ будет формироваться напряжение пропорционально скорости изменения входного напряжения.
Рис. 20 — Схема дифференциатора на ОУ
Мультивибратор
Для получения несимметричного мультивибратора резистор в цепи ООС заменяется двумя параллельными диодно-резисторными цепями (рис. 21).
Рис. 21 — Схема несимметричного мультивибратора на ОУ
Формирует прямоугольные импульсы со следующими параметрами:
Время импульса:
Время паузы:
Если убрать цепь R2VD2 и диод VD1, то получим симметричный мультивибратор, для которого
Одновибратор (ждущий мультивибратор)
Ждущий мультивибратор в отличие от автоколебательного на выходе формирует одиночный импульс под действием входного сигнала, причём длительность выходного импульса зависит от номиналов элементов обвязки операционного усилителя.
Продолжительность импульса:
Рис. 22 — Схема ждущего мультивибратора на ОУ
