§ 5.6. ОСОБЕННОСТИ ВКЛЮЧЕНИЯ И СВОЙСТВА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, ОХВАЧЕННЫХ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Используются две основные схемы включения ОУ (рис. 5.18, а, б). При подаче входного напряжения на неинвертирующий вход ОУ, охваченного ОС с коэффициентом , равным (рис. 5.18, а), коэффициент усиления по напряжению определяются с помощью уравнения (4.27):

При (5.38) примет вид

Из (5.39) видно, что коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной ОС, при большом значении определяется только сопротивлениями и мало зависит от колебаний коэффициента усиления ОУ .

Так как при таком включении ОУ сигнал ОС вводится последовательно с входным напряжением, входное сопротивление для дифференциального сигнала увеличивается в раз (см. § 4.2):

(5.40)

Сигнал обратной связи снимается пропорциональным выходному напряжению. Значит, выходное сопротивление уменьшается в раз (см. §4.2):

(5.41)

Рис. 5.18. Включение ОУ с подачей входного напряжения на неинвертирующий (а) и инвертирующий (б) входы; эквивалентная схема ОУ с инвертирующим входом (в)

В реальном ОУ приходится учитывать конечное значение коэффициента ослабления синфазного сигнала и наличие для него входного сопротивления.

Так, ОУ (рис. 5.18, а) работает с синфазным сигналом, практически равным входному напряжению. Действительно, напряжение на неинвертирующем входе отличается от напряжения на инвертирующем на величину , не зависящую от глубины обратной связи (выходное напряжение у дифференциального усилителя определяется разностью напряжений на его входах). При потенциалы входов различаются на . Поэтому можно считать, что усилитель работает с синфазным входным сигналом, равным , которое вызывает появление выходного напряжения . Следовательно, коэффициент усиления ОУ с учетом равен

Так как меняется с частотой и при изменении напряжений питания, то наличие этого члена приводит к частотной и амплитудной погрешностям и затрудняет получение точного значения коэффициента усиления по напряжению.

Входное сопротивление для дифференциального сигнала не может превысить входное сопротивление для синфазного сигнала. В пределе, когда , имеем . При практическом применении следует учитывать, что существенно уменьшается при увеличении частоты.

При подаче входного напряжения на инвертирующий вход (рис. ) удобнее использовать эквивалентную схему рис. 5.18, в. Это обусловлено тем, что при непосредственном использовании уравнения (4.27) не учитывается то, что из входного сигнала усилителя вычитается сигнал ОС.

Эквивалентную схему строят исходя из следующих рассуждений. Входное напряжение создает в сопротивлении ток .

Это ток разветвляется на два тока: . Причем значение определяется входным сопротивлением ОУ для дифференциального сигнала, — сопротивлением , уменьшенным в раз. Последнее обусловлено тем, что усилитель инвертирует входной сигнал и разность потенциалов между выходом и неинвертирующим входом в раз больше потенциала инвертирующего входа. Эквивалентное сопротивление, установленное на входе идеализированного ОУ,

Коэффициент усиления по напряжению найдем с помощью эквивалентной схемы с учетом изменения знака выходного напряжения:

При практическом использовании параметры сопротивления выбирают так, чтобы во всей полосе рабочих частот выполнялось условие

Тогда

и уравнение (5.44) примет вид

Если

то

Из (5.48) видно, что при этой схеме включения коэффициент усиления зависит только от соотношения сопротивлений и не зависит от коэффициента усиления ОУ . Так как синфазное входное напряжение отсутствует, то значение стабильнее и может быть установлено точнее, чем в схеме рис. 5.18, а. При этом параметры сопротивления следует выбирать исходя из условий (5.45), (5.47) так, чтобы на верхней частоте полосы пропускания обеспечивалось их выполнение.

Как и в схеме рис. 5.18, а, разность потенциалов между входами ОУ достаточно мала. Поэтому в первом приближении считают, что потенциал инвертирующего входа равен нулю (виртуальный нуль). Тогда входное сопротивление

При более строгом подходе .

Выходное сопротивление можно определить с помощью формулы (5.41), в которой . Благодаря большей точности и стабильности параметров преобразования при создании высокоточных устройств схема рис. предпочтительнее схемы рис. 5.18, а.

При введении ОС амплитудно-частотная характеристика усилителя зависит от параметров элементов цепи ОС. Так, если , а амплитудно-частотная характеристика ОУ без цепи ОС имеет вид рис. 5.19 с частотой среза ЛАЧХ , то введение ОС с коэффициентом ОС или приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению и повышению в раз частоты среза.

Действительно, в рассматриваемом случае

где — коэффициент усиления на нулевой частоте.

Подставив (5.50) в (5.38), получим

Следовательно, для такого усилителя частота среза, определяемая из условия

увеличивается пропорционально глубине обратной связи и полоса пропускания расширяется. Для усилителей с АЧХ, характеризуемых уравнением (5.50), справедливо утверждение о том, что произведение коэффициента усиления на полосу пропускания, определенную на уровне 3 дБ, — величина постоянная: .

Рис. 5.19. ЛАЧХ усилителя без ОС и с ОС разной глубины

Действительно, подставив из (5.38) и из (5.52), получим

(5.53)

Поэтому увеличение коэффициента усиления приводит к сужению полосы пропускания, и наоборот.

Полученный зависимости являются базовыми для анализа свойств электронных преобразователей, выполненных на основе ОУ.