Допущения, принимаемые при анализе схем на ОУ

Отметим важные правила, которые определяют поведение ОУ, охваченного петлей обратной связи и работающего в линейном режиме:

• ОУ стремится установить на выходе такое напряжение, чтобы разность напряжений между его входами была бы равна нулю, т.е. UВХ+- UВХ-=0

• Входы ОУ не потребляют ток в цепи источника сигнала, т.е. IВХ+=0 и IВХ-=0

Это правило не означает, что ОУ действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно. ОУ «оценивает» состояние входов и с помощью внешней схемы обратной связи (резистора R3) передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами стремилась бы к нулю.

Второе правило, которое широко используется при анализе схем на ОУ, связано с малым потреблением входного тока (например, ОУ К140УД7 имеет входной ток 0,08 мкА, а ОУ с полевыми транзисторами на входе имеют входные токи утечки единицы пикоампер).

При проектировании усилительных устройств на ОУ необходимо помнить, что обратная связь должна быть всегда отрицательной (т. е. нельзя путать инвертирующий и не инвертирующий входы), причем в схеме ОУ обязательно должна быть предусмотрена цепь обратной связи по постоянному напряжению. В противном случае ОУ обязательно попадает в режим насыщения из-за наличия напряжения смещения нуля.

Вопрос 48 Инвертирующий усилитель на ОУ

На рис. 5.3, а приведена схема инвертирующего усилителя, в которой используется параллельная обратная связь по напряжению.

В реальном ОУ во входных цепях протекают небольшие токи. Из-за того, что входные токи не равны нулю, они создают дополнительное напряжение на резисторах, подключенных к инвертирующему входу. Для уменьшения влияния входных токов в схеме рис. 5.3, а включен резистор между неинвертирующим входом и общей шиной. Проведем оценку величины сопротивления этого резистора. Предположим, что входные токи ОУ одинаковы и равны I_вх. Падение напряжения на резисторе R ₂ за счет входного тока U_ни = –I_вхR₂.

Так как усилитель охвачен отрицательной обратной связью, то U_и = U_ни, тогда

I_г = (U_г+I_вхR₂)/R₁.

Ток через резистор R_ос

I_ос = I_г – I_вх

Из второго закона Кирхгофа следует, что

Из полученного выражения видно, что если сопротивление резистора R2=R1||Rос, то на выходе ОУ не возникает искажений за счет входного тока. Напряжение на инвертирующем входе ОУ в схеме рис. 5.3, а

Если К_ос ≈ R_ос/R₁<<К (т. е. в усилителе применена глубокая отрицательная обратная связь), то напряжение U_и стремится к нулю. Точку А называют потенциально заземленной точкой, потому что се потенциал равен потенциалу земли (общей шины). Ввиду незначительной величины напряжения UА падение напряжения на резисторах R₁ и R_ос может быть принято соответственно входным и выходным напряжением. Так как входные токи ОУ малы, то можно считать равными токи, протекающие в резисторах R₁ и R_ос, т. е.

Коэффициент усиления ОУ с обратной связью при К >> Кос:

Входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется величиной сопротивления резистора R₁, так как потенциал инвертирующего входа равен нулю.

Выведем формулу для Кос инвертирующего усилителя, которая учитывает конечное значение коэффициента усиления ОУ без обратной связи, при условии равенства тока смещения нулю. С учетом указанного предположения заметим, что IR₁ = –IR_ос; следовательно

Подставив в приведенное выражение значение U_и = –U_вых/ К, найдем

Разделим числитель и знаменатель полученного выражения на (R₁+R_ос). Получим:

Заметим, что отношение R_ос/(R_ос+R₁) является коэффициентом передачи делителя напряжения U_вх, который образован резисторами R_ос и R₁. Из рис. 5. 3, а видно, что если U_вых равно нулю, то

Эффект деления наблюдается тогда, когда U_вых не равно нулю и вызывает уменьшение напряжения на инвертирующем входе пропорционально коэффициенту деления делителя R_ос/(R_ос+R₁). Это и позволяет записать в упрощенном виде формулу для К_ос, используя вместо значения К' произведение К на коэффициент передачи делителя цепи обратной связи