Что такое обратная связь?

В общем, это связь в физических, биологических, экономических и других системах, основанная на обратном воздействии результата определенного явления на его причину. Явление обратной связи (ОС) наблюдается в природе повсеместно (например, регулировка температуры тела, давление крови) и является предметом исследований кибернетики.

 

На чем основана ОС в электронных схемах?

Обратная связь в электронных схемах основана на особом способе возбуждения, при котором выходной сигнал схемы оказывает обратное воздействие на ее входной сигнал. Иначе говоря, часть выходного сигнала, называемая сигналом обратной связи, поступает на вход схемы и суммируется с входным сигналом, в результате чего условия возбуждения схемы подвергаются изменению.

Рассмотрим структурную схему электронного усилителя без ОС и с ОС (рис. 8.1, а и б).

Рис. 8.1. Структурные схемы усилителей без обратной ( а ) и с обратной ( б ) связями

Усиление по напряжению усилителя без ОС равно отношению выходного напряжения к входному

К u = U 2 /U 1

Коэффициент усиления К u часто называют коэффициентом усиления разомкнутой петли обратной связи, поскольку к усилителю не подсоединена цепь ОС. При подключенной цепи ОС (рис. 8.1, б) полное входное напряжение состоит из начального сигнала U 1 и части β выходного сигнала, поданного обратно на вход. Сумма этих сигналов усиливается усилителем в К u раз, так же как и в схеме на рис. 8.1, а, а на выходе возникает выходное напряжение U' 2 . Следует отметить, что выходные напряжения U 2 и U' 2 в двух схемах различны, так как в схеме с ОС изменился режим усиления. Напряжение, подведенное с выхода обратно на вход, составляет β f U' 2 , и поэтому полное входное напряжение усилителя равно U 1 = U 2 +β f U' 2 . Входное напряжение, умноженное на коэффициент усиления, равно выходному напряжению

U' 2 = (U 1 + β f U' 2 )·К u

или после раскрытия скобок

U' 2 = U 1 К u + β f U' 2 К u

После преобразований получим

U 1 К u  = U' 2 — β f U' 2 К u = U' 2 (1 — β f К u )

Отношение U' 2 /U 1 , обозначенное через К' u , представляет собой, результирующий коэффициент усиления схемы с обратной связью, называемый также коэффициентом усиления с замкнутой цепью ОС:

К' u  = U' 2 /U 1 = К u /(1 — β f К u )

Полученная зависимость показывает, какому изменению подвергается коэффициент усиления схемы в результате применения ОС.

Далее увидим, что и другие свойства усилителя также изменяются и аналогично коэффициенту усиления зависят от члена (1 — β f К u ), называемого коэффициентом обратной связи.

 

Что такое положительная обратная связь?

Обратная связь называется положительной, если фаза обратного напряжения, поданного с выхода на вход схемы, совпадает с фазой входного напряжения. При совпадении фаз обоих сигналов на входе усилителя эффективный входной сигнал увеличивается. Это означает, что коэффициент β f , определяющий, какая часть выходного напряжения подается снова на вход, положителен. В связи с этим в соответствии с ранее выведенной зависимостью усиление схемы с положительной обратной связью (ПОС) выражается следующей формулой:

К' u  = К u /(1 — β f К u )

Анализируя эту формулу, приходим к выводу, что увеличение коэффициента β f вызывает рост коэффициента К' u . Если коэффициент усиления усилителя без ОС равен 20, то при использовании ПОС (β f = 0,025) коэффициент усиления при замкнутой цепи ОС составит К' u = 40. Если коэффициент β f увеличивается и произведение β f К u приближается к единице, то коэффициент усиления стремится к бесконечности. Такой вывод следует из математической зависимости, практически, однако, такой случай невозможен. В схеме возникает генерация колебаний, а бесконечный коэффициент усиления означает, что генератор сам «поставляет» на вход сигнал, поддерживающий колебания. Положительная обратная связь является основой работы генераторов, причем условия генерации можно выразить следующим образом: схема работает как генератор, если ОС является положительной и достаточно сильной (β f К u  = 1). чтобы поддерживать колебания. Если β f К u < 1, то в схеме наблюдается только рост усиления. Положительная связь такого типа, называемая иногда регенерирующей связью, используется очень редко (в частности, из-за увеличения искажений).

 

Что такое отрицательная обратная связь?

Отрицательная обратная связь (ООС) — это связь, при которой фаза напряжения, подведенного с выхода на вход схемы, является противоположной по сравнению с фазой входного напряжения.

 

Каково влияние ООС на усиление усилителя?

Отрицательная обратная связь вызывает уменьшение коэффициента усиления усилителя. Это следует из того, что в схеме с ООС поданная на вход часть выходного напряжения имеет фазу, противоположную фазе входного напряжения, и поэтому вычитается из него. В результате на входе усилителя действует меньшее напряжение, чем при отсутствии ООС. При этом выходное напряжение также имеет меньшее значение. Поскольку источник сигнала не охвачен цепью ОС, то при том же самом напряжении источника получаем меньшее выходное напряжение, т. е. усиление схемы уменьшается.

К аналогичному выводу приходим, анализируя основное выражение для коэффициента усиления схемы с ОС

В случае ООС знак коэффициента β f отрицателен. В связи с этим формула для коэффициента усиления усилителя с ООС изменяется и принимает следующий вид:

Предположим, что имеется усилитель, коэффициент усиления которого без ОС составляет 100, и вводится ОС β f  = 0,1. Подставляя эти значения в уравнение, получаем

К' u  = 100/(1 + 0,1·100) = 100/11 = 9,09

и, следовательно, значительное уменьшение коэффициента усиления.

 

Вызывает ли ООС расширение полосы пропускания усилителя?

Да. Использование ООС в усилителе вызывает уменьшение нижней граничной частоты f н и увеличение верхней граничной частоты f в . Новые граничные частоты f' н и f' в  зависят, как и коэффициент усиления, от выражения (1 + β f К u ). Можно показать, что

f' н  = f н /(1 + β f К u )

f' в  = f в ·(1 + β f К u )

Если усилитель имеет коэффициент усиления 40 и верхнюю граничную частоту 8 кГц, то после применения ООС с коэффициентом β f  = 0,05 получаем новый коэффициент усиления, равный 40/(1 + 2) или 13,3, а также граничную частоту, равную 8·(1 + 2), т. е. 24 кГц. Видно, что коэффициент усиления усилителя снизился в 3 раза, но в такое же число раз возросла ширина полосы. Отсюда следует важный вывод, имеющий общий характер: произведение коэффициента усиления на ширину полосы усилителя (т. е. произведение GB или KΔf) является постоянной величиной.

 

Можно ли с помощью ООС формировать амплитудную характеристику усилителя?

Да. Отрицательная обратная связь позволяет получить такие амплитудные характеристики которые было бы трудно получить в схемах без ОС. Например, если хотим, чтобы амплитудная характеристика возрастала с ростом частоты, достаточно использовать цепь ОС, в которой коэффициент β f убывает с частотой. Вместе с уменьшением коэффициента β f уменьшается ОС и в результате усиление возрастает. Примером реализации такой схемы может служить усилитель, в котором сигнал ОС снимается с конденсатора в резистивно-емкостном делителе.

 

Оказывает ли влияние ООС на нелинейные искажения, помехи и шумы, вносимые усилителем?

Отрицательная обратная связь в принципе не улучшает отношение сигнал/шум, поскольку шумы или помехи, возникшие на входе схемы, уменьшаются в той же степени, что и полезный сигнал.

В то же время ООС уменьшает влияние паразитных сигналов, возникших внутри цепи ОС, в том числе гармоник. Влияние их уменьшается тем сильнее, чем ближе к выходу усилителя они появляются. Содержание гармоник h f усилителя с ОС и К Гf — без ОС связаны зависимостью

Кроме того, ООС вызывает линеаризацию динамической характеристики усилителя.

 

Какое влияние оказывает ООС на стабильность усиления?

Отрицательная обратная связь уменьшает чувствительность коэффициента усиления к изменению параметров элементов, входящих в состав усилителя, питающих напряжении и внешних факторов. Эта чувствительность уменьшается в (1 + β f К u ) раз. Иначе говоря, стабильность коэффициента усиления улучшается в (1 + β f К u ) раз по сравнению со стабильностью усилителя без ООС. В предельном случае сильной ООС, когда β f К u >> 1, коэффициент усиления усилителя выражается простой зависимостью К' u = 1/β f . Из этой зависимости следует, что коэффициент усиления перестает зависеть от активных элементов, используемых в усилительном тракте, и, следовательно, не зависит от изменений их характеристик, свойств элементов (за исключением цепи ОС), а также колебаний напряжения питания.

Результирующий коэффициент усиления усилителя определяется лишь параметрами пассивных элементов цепи ОС. Если обеспечивается стабильность этих элементов, стабильность коэффициента усиления может быть очень высокой.

 

Влияет ли ООС на входное и выходное сопротивления усилителя?

Да, поскольку подключение к усилителю цепи ООС изменяет условия работы усилителя по входу и выходу. Свойства схемы с ОС, в том числе входное и выходное сопротивления, зависят от способа снятия обратного сигнала с выхода схемы и его подачи на вход. При рассмотрении схем с ОС увидим, как изменяются эти сопротивления.

 

Может ли ОС охватывать более одного каскада?

Да. Хотя чаще всего используется так называемая локальная связь, охватывающая один каскад. Во многих усилителях применяются цепи ОС, в которых сигнал ОС, полученный в последнем каскаде, подастся на первый каскад. Структурная схема такого усилителя показана на рис. 8.2. Пунктирной линией обозначены ответвления цепи, поскольку ОС может охватывать также и другие выбранные каскады в усилительной цепочке.

Рис. 8.2. Обратная связь, охватывающая несколько каскадов

 

Устойчивы ли схемы с ООС?

В принципе да, однако однозначно ответить на этот вопрос невозможно. Правильнее было бы сказать, что хорошо сконструированный и изготовленный усилитель с ООС является устойчивым. Рассматривая схемы с ООС в общем, можно сказать, что в определенных диапазонах частот существует возможность неустойчивости этих схем. Это следует из того, что коэффициент усиления усилителя является комплексным. Он характеризуется модулем (абсолютным значением) и углом фазового сдвига. В связи с этим нельзя говорить об ООС во всем диапазоне частот, усиливаемых усилителем.

В результате фазовых сдвигов в некоторых диапазонах частот, обычно на краях усиливаемой полосы, связь из отрицательной может стать положительной, и тогда усиление схемы возрастает. Если ОС является положительной и достаточно сильной, то усиление может возрасти до бесконечности, и тогда усилитель превращается в генератор, генерирующий собственные колебания. О таком усилителе говорят, что он нестабильный. Вероятность (опасность) нестабильности увеличивается с ростом ОС (большее произведение фактора обратной связи β f К u ) и фазовых сдвигов в цепи ОС. Поэтому вероятность нестабильности больше в схемах с большим усилением и сильной связью, охватывающей несколько каскадов.

Борьба с нестабильностью усилителей в ООС заключается в ограничении числа каскадов, охваченных цепью ОС, до трех, а также на соответствующем формировании частотных характеристик усилителя. Главным принципом в этом случае является дополнительное уменьшение коэффициента усиления на границах, полосы пропускания, т. е. на тех частотах, для которых в результате фазовых сдвигов ООС превращается в ПОС. Тогда при меньших коэффициентах усиления, несмотря на ПОС, паразитные колебания не возникают, поскольку связь очень слабая.

 

Каковы преимущества и недостатки ООС?

Отрицательная обратная связь позволяет улучшить свойства схемы благодаря следующим преимуществам: уменьшение чувствительности усиления к изменению параметров элементов, режимов питания и внешних факторов; уменьшение нелинейных искажений; возможность формирования частотных характеристик, возможность изменения входного и выходного сопротивлений. К недостаткам ООС относятся уменьшение коэффициента усиления и возможность нестабильности схемы.

 

Как можно классифицировать цепи ООС?

Цепи ООС классифицируют исходя из способов снятия выходного сигнала и его подачи на вход.

По способу снятия выходного сигнала различают связь по напряжению, в которой выходной сигнал пропорционален выходному напряжению, и связь потоку, характеризующуюся пропорциональностью выходному току.

По способу подачи выходного сигнала на вход различают последовательную связь, при которой обратный сигнал подается последовательно со входным сигналом, и параллельную связь, при которой выходной сигнал цепи ОС вводится параллельно с входным сигналом.

В связи с этим можно выделить четыре основные цепи ООС: по напряжению, параллельного типа; по напряжению, последовательного типа; потоку, последовательного типа; потоку, параллельного типа.

 

Что такое усилитель с параллельной ООС по напряжению?

Усилительный каскад с ООС по напряжению параллельного типа показан на рис. 8.3.

Рис. 8.3. Усилитель с параллельной ООС по напряжению

Напряжение, возникающее на коллекторе, в схеме с ОЭ сдвинуто на 180° по отношению к напряжению, действующему на базе, и с помощью R f C f -цепочки снова подается на базу.

Конденсатор C f разделяет лишь постоянные потенциалы, действующие на коллекторе и базе. Резистор R f совместно с сопротивлением, включенным между базой и массой, а следовательно, учитывающий как резистор R 1 и сопротивление источника, так и входное сопротивление транзистора, образует делитель обратного напряжения, который определяет коэффициент β f . Источники напряжения ОС и входного сигнала, поданного на базу через конденсатор C 1 , включены параллельно.

Из такого способа возбуждения и следует название цепи ОС: по напряжению параллельного типа. Для цепей этого типа характерно уменьшение входного и выходного сопротивлений. Параллельная связь по напряжению часто используется в качестве многокаскадной связи, примеры которой представлены на рис. 8.4, а и б. В схеме рис 8 4, а, состоящей из двух транзисторов, напряжение ОС снимается с вторичной обмотки трансформатора с встречной навивкой обмоток, что обозначено соответствующим расположением точек). Таким образом обеспечивается соответствующая полярность напряжения ОС.

В трехтранзисторной схеме (рис. 8.4, б) благодаря соответствующей фазе напряжения на выходе имеется возможность непосредственной подачи напряжения ОС (на вход схемы — прим. перев.).

Рис. 8.4. Многокаскадные усилители с параллельной ООС по напряжению:

а — двухкаскадный; б — трехкаскадный

 

Что такое усилитель с последовательной ОС по напряжению?

Типовая схема последовательной ОС по напряжению представлена на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Усилитель с последовательной ООС по напряжению

Выходное напряжение, полярность которого противоположна напряжению на управляющей сетке лампы, делится с помощью делителя напряжения R 1 R 2 . Часть выходного напряжения, действующая на резисторе R 2 , является напряжением ОС. Это напряжение подводится к входной цепи благодаря соединению средней точки делителя с нижним концом вторичной обмотки трансформатора, т. е. последовательно с входным напряжением. Сумма этих двух напряжений является входным напряжением усилителя.

Другие схемы с ООС рассматриваемого типа показаны на рис. 8.6.

Во всех трех схемах напряжение ОС подается в цепь катода синфазно с управляющим напряжением. Поскольку эффективное входное напряжение усилителя является разностью переменных напряжений, действующих на сетке и катоде, условия питания аналогичны тем, которые имеют место при последовательном соединении двух источников переменного напряжения, из которых одно (соответствующее переменному напряжению на катоде) имеет противоположную полярность по отношению к другому.

Рис. 8.6. Усилители с последовательной ОС по напряжению:

а — двухламповая схема: б — двухламповая с трансформатором, не инвертирующим фазу; в — одноламповая с фазоинвертирующим трансформатором

Из рис. 8.6 следует, что в однокаскадном усилителе такой способ введения напряжения ОС возможен только при использовании трансформатора, переворачивающего (инвертирующего) фазу напряжения, действующего на аноде лампы. Для резистивного усилителя (рис. 8.6, б) необходимы два каскада. Если в схеме применяется трансформатор, то он не инвертирует фазу напряжения (рис. 8.6, в).

В транзисторных схемах число каскадов резистивного усилителя, обеспечивающее соответствующую фазу обратного напряжения, подводимого к резистору в цепи эмиттера, также должно быть четным.

Усилители со связью по напряжению последовательного типа характеризуются повышенным входным сопротивлением и пониженным выходным.

 

Является ли эмиттерный повторитель схемой с ООС?

Да, эмиттерный повторитель и его ламповый аналог катодный повторитель являются схемами с ООС по напряжению последовательного типа. Это следует из схемы (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Эмиттерный повторитель

Выходное напряжение, возникающее на резисторе R э в цепи эмиттера, синфазно с входным напряжением. Все выходное напряжение вычитается из напряжения, действующего на базе, и в результате транзистор управляется разностью обоих напряжений. Анализ эмиттерного повторителя как схемы с ОС приводит к таким же результатам, которые получают при анализе схемы с ОК. Следовательно, усиление по напряжению повторителя меньше единицы; входное сопротивление велико, а выходное мяло.

 

Что такое усилитель с последовательной ОС по току?

Связь по току последовательного типа в схемном отношении является наиболее простым видом ООС. Для получения такой связи достаточно из усилителя удалить конденсатор, шунтирующий резистор в цепи эмиттера (рис. 8.8, а). Изменения тока коллектора, вызываемые переменным входным сигналом, создают на этом резисторе переменное напряжение, а поскольку этот резистор включен последовательно в цепь эмиттера, управляющее напряжение представляет собой разность между подводимым ко входу напряжением и переменным напряжением, действующим на резисторе. Достоинством последовательной связи по току является увеличение входного и выходного сопротивлении усилителя

Последовательную ООС по току часто применяют в качестве местной связи. Однако иногда ее используют в многокаскадных усилителях, как, например, в усилителе, представленном на рис. 8 8, б. Характерно, что в этой схеме помимо многокаскадной связи в первом и третьем каскадах через резистор R f действуют также местные связи.

Рис. 8.8. Однокаскадный ( а ) и трехкаскадный ( б ) усилители с последовательной ОС по току

 

Что такое усилитель с параллельной ОС по току?

Усилитель с параллельной ООС по току представлен на рис. 8.9. Связь этого типа используется почти исключительно в транзисторных схемах, поскольку сильная нагрузка, вносимая цепью ОС на вход усилителя, несущественна из-за малого входного сопротивления транзистора. Параллельная связь по току вызывает снижение входного и повышение выходного сопротивления усилителя.

В рассматриваемой схеме изменения тока второго транзистора вызывают изменение напряжения па резисторе в цепи эмиттера. Это напряжение, фаза которого противоположна фазе входного напряжения, управляет первым транзистором. Коэффициент ОС определяет сопротивление резистора R f .

Рис. 8.9. Усилитель с параллельной ОС по току

 

Какой усилитель называется операционным?

Операционным усилителем называется усилитель с очень большим коэффициентом усиления, предназначенным для работы с внешней цепью ООС, свойства которой и, определяют главным образом свойство всей схемы в целом. Наличие ООС обеспечивает стабильность работы усилителя, увеличивает его динамический диапазон по входу, а также положительно влияет на линейность и ширину полосы.

С точки зрения схемотехники операционный усилитель трактуется как «черный ящик» с определенными входами и выходами. Не вникая в детали устройства операционного усилителя, можно сказать, что он характеризуется однородной конструкцией и в настоящее время выпускается почти исключительно в виде интегральной микросхемы.

Помимо несомненного преимущества, которым являются малые габаритные размеры операционного усилителя, более существенно то, что все его элементы изготовляются в идентичных условиях в течение единого технологического процесса. Поскольку все элементы выполнены на общей подложке, параметры всех сравнимых элементов почти одинаковы, а из-за сильной тепловой связи создаются условия почти идеальной компенсации изменений параметров этих элементов в зависимости от температуры.

В состав операционного усилителя входят: дифференциальный усилитель, схема с высоким входным сопротивлением (например, выполненная на полевых транзисторах), схема Дарлингтона, эмиттерный повторитель, выходная схема с повышенной выходной мощностью и т. п. Все эти схемы обеспечивают получение большого коэффициента усиления, высокое входное и низкое выходное сопротивления и возможность симметричного входа. Операционные усилители в полупроводниковом исполнении отличаются непосредственными связями между каскадами, т. е. они являются усилителями постоянного тока.

 

Как графически изображается операционный усилитель?

Графическое изображение операционного усилителя показано на рис. 8.10.

Рис. 8.10. Условное графическое обозначение операционного усилителя

Обычный операционный усилитель имеет два входных зажима. Если зажим, обозначенный «+», заземлен, а входной сигнал подводится к зажиму «—», то происходит инвертирование фазы между входом и выходом. Поэтому зажим, обозначенный «—», является инвертирующим входом операционного усилителя. Наоборот, если заземлен зажим «—», а сигнал подан на зажим «+», то инвертирования фазы между входом и выходом не происходит. Поэтому зажим «+» называют также неинвертирующим входом.

Реже встречаются операционные усилители с одним входом и с симметричным выходом. Усилитель с одним входом можно трактовать как вариант усилителя с заземленным входом «+».

Поскольку в обычном операционном усилителе есть два независимых входа, из которых один инвертирующий, а другой неинвертирующий, имеется возможность подведения к входным зажимам разностного сигнала. Если на оба входа будут поданы два одинаковых сигнала, то сигнал на выходе будет равен нулю, а входной сигнал такого типа называется неразностным сигналом (общим). Большая буква К, расположенная в графическом изображении операционного усилителя, обозначает усиление недогруженного усилителя с разомкнутой цепью ОС.

 

Какими свойствами должен обладать идеальный операционный усилитель?

Идеальный операционный усилитель должен иметь следующие основные свойства: бесконечно большое усиление при разомкнутой цепи обратной связи (К —> ); бесконечно широкую полосу; бесконечно большое входное сопротивление (между входами, а также входами и массой); выходное сопротивление, равное пулю; выходное напряжение, равное пулю при возбуждении неразностным (общим) сигналом; идеальное дифференциальное усиление, а следовательно, бесконечно большое ослабление входного сигнала; независимость параметров от температуры.

Выпускают схемы с усилением 90 дБ, входным сопротивлением 1 МОм, затуханием паразитного сигнала 100 дБ, работающие в интервале температур от —55 до 125 °C. Ширина полосы пропускания не превосходит нескольких десятков мегагерц. Конечное значение ширины полосы и работа с ООС могут стать (из-за неустраненного фазового сдвига на высоких частотах) источником нестабильности операционных усилителей. Поэтому для предотвращения возникновения генерации применяется соответствующая частотная компенсация, задачей которой является уменьшение усиления в тех диапазонах частот, где велики фазовые сдвиги. Компенсация осуществляется с помощью RС-элементов, подключенных к соответствующим внутренним точкам операционного усилителя, выведенным наружу из схемы в процессе производства.

 

На чем основана работа операционных усилителей как усилительных схем?

На рис. 8.11 представлена простейшая схема операционных усилителей. Схема на рис. 8.11, а является усилителем, не инвертирующим фазу. Управляющее напряжение подводится к неинвертирующему входу, тогда как на инвертирующий вход подается часть выходного напряжения с помощью резистивного делителя R 1 R 2 . Коэффициент усиления схемы выражается следующим образом:

K = U 2 /U 1 = (R 1 + R 2 )/R 1

и зависит только от сопротивлений резисторов в цепи ОС. Эти сопротивления должны быть выбраны таким способом, чтобы сопротивление их параллельного соединения было равно сопротивлению источника.

Используя в неинвентирующем усилителе R 1 = , получаем коэффициент усиления по напряжению, равный единице. При этом схема работает, как повторитель напряжения (рис. 8.11, б). Из-за максимального входного сопротивления усилитель называют иногда сепаратором с единичным усилением.

Рис. 8.11. Основные схемы с операционными усилителями:

а — усилитель без изменения знака: б — повторитель напряжения; в — усилитель с изменением знака; г — разностный усилитель

На рис. 8.11, в представлен инвертирующий усилитель. Входной сигнал через резистор R 1 подается на инвертирующий вход. На этот же вход через резистор R 2 поступает с выхода напряжение ООС. Неинвертирующий вход заземляется. Коэффициент усиления схемы зависит от отношения сопротивлений резисторов R 1 и R 2

K = U 2 /U 1 = — R 2 /R1  

и может быть меньше или больше единицы. В особом случае, когда R 2 = R 1 схема имеет коэффициент усиления, равный единице, и меняется лишь полярность выходного сигнала по сравнению с полярностью входного. Поэтому схему называют иногда схемой изменения знака.

Операционный усилитель может выполнять функцию разностного усилителя с ОС, служащего для вычитания или взаимной компенсации двух напряжений. При обеспечении отношения R 2 /R1   = R 4 /R3   выходное напряжение должно быть пропорционально разности входных напряжений, подведенных от отдельных источников К инвертирующему и неинвертирующему входам (рис. 8.11. г).

 

Может ли операционный усилитель выполнять математические операции?

Да. Помимо уже упомянутых функций изменения знака и вычитания операционный усилитель может простым способом осуществлять операции сложения, интегрирования и дифференцирования, благодаря чему находит широкое, применение в аналоговых вычислительных машинах.

Суммирующий усилитель (рис. 8.12) является особым случаем усилителя, инвертирующего фазу. Подлежащие суммированию напряжения подаются на три входа, отдаленные от входа операционного усилителя резисторами R 1 — R 3 . Усиление этой схемы для каждого из входов равно отношению сопротивления резистора R 4 к сопротивлению соответствующего входного резистора.

Рис. 8. 12. Суммирующий усилитель

При подборе одинаковых сопротивлений R 1 = R 2 = R 3   = R 4 на выходе получают алгебраическую сумму напряжений. Примером использования суммирующей схемы может быть схема, микширующая несколько акустических сигналов, например сигналы с трех микрофонов, которые должны усиливаться общим усилителем мощности.

Интегрирующая схема, или интегратор, представлена на рис. 8.13. Как известно, интегрирующей схемой называется RС-фильтр нижних частот (рис. 8.13, а), у которого выходное напряженно пропорционально интегралу входного напряжения. Аналогичный эффект, но с усилением, получаем при использовании конденсатора в цепи ОС операционного усилителя (рис. 8.3, б).

Рис. 8.13. Интегрирующая схема:

а — RС-цепочка; б — схема с операционным усилителем

Дифференцирующая схема изображена на рис. 8.14. Дифференцирующей схемой является RC-фильтр верхних частот (рис. 8.14, а), характеризующийся тем, что напряжение на его выходе пропорционально производной входного напряжения. В отличие от интегрирующей в дифференцирующей схеме в петле ОС операционного усилителя находится резистор, а не конденсатор.

Рис. 8.14. Дифференцирующая схема:

а — RC-цепочка; б — схема с операционным усилителем

 

Может ли операционный усилитель работать как компаратор?

Да. Используя операционный усилитель без цепи ОС, можно получить схему сравнения двух напряжений, или компаратор. В идеальном усилителе при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю. Если подать на один из входов некоторое опорное напряжение, можно получить схему, сигнализирующую о том, является ли измеряемое напряжение больше или меньше опорного. Если подведенное к другому входу напряжение превышает опорное, то выходное напряжение имеет положительное значение, если меньшее — отрицательное.

 

Каковы другие применения операционных усилителей?

Операционные усилители находят применение в многочисленных устройствах. К числу известных схем, содержащих операционные усилители, относятся активные RС-фильтры, которые благодаря соответствующим образом сформированной петле ОС обеспечивают селективное усиление определенной полосы частот, ограничители напряжения, фазовращатели, генераторы прямоугольных и треугольных колебаний, преобразователи ток — напряжение и т. п.