2.12. ОПЕРАЦИОННЫЕ СХЕМЫ

На ОУ создаются схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами (сложение, вычитание, интегрирование, выделение модуля функции и т.п.). Такие схемы находят широкое применение в устройствах автоматического управления, они составляют основу аналоговых ЭВМ. Наиболее распространенными являются суммирующие и интегрирующие схемы на ОУ, а также ряд схем, в которых ОУ используется в нелинейном режиме (эти схемы рассмотрены в гл. 3).

На рис. 2.21, а приведена схема инвертирующего сумматора. Она собрана на базе ОУ с инвертирующим входом и цепью параллельной ООС (см. § 2.11). Поскольку ОУ велико,

Как и в схеме рис. Входные токи определяются с учетом того, что между входами ИМС ОУ напряжение равно нулю: .

Рис. 2.21. Инвертирующий сумматор на ОУ (а) и временные диаграммы сигналов на его входах и выходе (б)

Тогда из (2.28) следует

отсюда

Знак минус показывает, что наряду с суммированием происходит инвертирование полярности сигналов. На рис. приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу инвертирующего сумматора.

На рис. 2.22, а приведена схема неинвертирующего сумматора. В основе этой схемы лежит неинвертирующий ОУ с ОС (см. рис. 2.18, а). Выделим названную схему и заменим ее схемой замещения, содержащей и источник напряжения (выходное сопротивление равно нулю) (рис. ). Так как , то или по закону Ома

Отсюда

где - число входов сумматора (в рассматриваемой схеме ).

Рис. 2.22. Неинвертирующий сумматор на ОУ (а), его схема замещения (б) и схема вычитателя (в)

Напряжение на выходе ОУ найдем с учетом (2.24):

Таким образом, выходное напряжение пропорционально сумме входных сигналов. Но коэффициент передачи по напряжению схемы рис. 2.22, а зависит от числа входов п. Нетрудно видеть, что ивых однозначно определяется средним входным сигналом:

На рис. 2.22, в представлена схема вычитателя на ОУ. Рассмотрим его работу методом суперпозиции. Вначале положим , т. е. закоротим источник . Тогда схема сводится к неннвертирующему ОУ (рис. 2.18, а), на входе которого включен делитель напряжения с коэффициентом передачи . С учетом . Теперь положим (закоротим источник ). Схема сводится к инвертирующему ОУ (рис. 2.20,а), поскольку подключение к прямому входу резисторов не изменяет потенциал на прямом входе идеального ОУ, у которого входной ток мал. Тогда в соответствии с

В результате воздействия двух сигналов выходное напряжение ОУ . При получим

Источник напряжения, управляемый током, получим из схемы рис. 2.20, а при . При этом и источник сигнала работает в режиме источника тока . Выходное напряжение при учете определяется

Источник тока, управляемый напряжением, получим также из схемы рис. 2.20, а, если включим нагрузку в качестве резистора Тогда

Интегратор на ОУ также создается на базе инвертирующего ОУ (рис. 2.23,а). В цепь ОС включен конденсатор С. Как известно из курса ТОЭ,

Рис. 2.23. Интегратор на ОУ (а) и временные диаграммы сигналов на его входе и выходе (б)

Поскольку , то

Напряжение между входами ИМС ОУ равно нулю, поэтому . Учитывая (2.30) и (2.31), получаем

Схема выполняет математическую операцию интегрирования. Перейдем от неопределенных интегралов к определенным, тогда (2.32) запишется в виде

Выходное напряжение зависит от начальных условий, т. е. от начального напряжения на конденсаторе момент .

На рис. представлены временные диаграммы, иллюстрирующие работу интегратора. При подаче на вход постоянных напряжений на выходе получаем линейно изменяющиеся напряжения.