11. 1. Инвертирующий усилитель

На рис. 37 показана схема инвертирующего усилителя.

Рис. 37. Принципиальная схема инвертирующего усилителя.

Цепь обрат­ной связи в этом случае представляет собой единственный резистор R_о.с., который служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. Тот факт, что резистор соединен с инвертирующим входом, указывает на отрицательный характер обратной связи.

В данной схеме входное напряжение U_вх. подается на инвертирую­щий вход ОУ через резистор R₁. Резистор R₂ включен в цепь неинвертирующего входа для уменьшения составляющей погрешности выходного напряжения, обусловленной протеканием тока во входных цепях реально­го операционного усилителя. Сопротивление резистора R₂ определяется из соотношения:

.

Очевидно, что при R_о.с. >> R₁ можно выбрать R₂ = R₁.

Применяя правила Кирхгофа, для схемы рис. 36, можно составить следующие уравнения:

,

, (знак «минус», так как ОС отрицательная) , .

Решая совместно эти уравнения, можно получить следующее выражение для выходного напряжения схемы:

,

где Z - полное сопротивление цепи обратной связи, определяемое соотно­шением:

.

Сопротивления входного резистора и резистора цепи обратной связи обычно большие (десятки кОм), а коэффициент передачи ОУ очень высо­кий (А > 100000), таким образом, полное сопротивление цепи обратной связи с высокой точностью можно считать равным Z =R_о.с.-. Кроме того, величина ∆U обычно очень мала (несколько мкВ) и если значение входно­го сопротивления ОУ (Z_вх.) высокое (обычно около 10 МОм), то тогда входной ток (i_вх. =∆U/ Z_вх.) чрезвычайно мал и им можно пренебречь. С учетом сказанного выходное напряжение будет равно:

,

где К - коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью, равный K = R_о.с. /R₁.

Знак минус в выражении означает, что выходной сигнал имеет полярность противоположную входному сигналу, т.е. инвертирован отно­сительно него, поэтому такой усилитель называют инвертирующим усили­телем. Коэффициент передачи инвертирующего усилителя на операцион­ном усилителе можно регулировать посредством выбора сопротивлений двух резисторов, R₁ и R_о.с..

11.2. Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя на основе операционного уси­лителя приведена на рис. 38. Входное напряжение в этой схеме подается на неинвертирующий вход ОУ через резистор R₂. Он предназначен, как и в схеме инвертирующего усилителя, для уменьшения составляющей по­грешности выходного напряжения, вызванной входными токами реального операционного усилителя. Сопротивление резистора R₂ определяется по формуле:

.

Напряжение обратной связи, подаваемое на инвертирующий вход ОУ, снимается с делителя напряжения, который образован резистором об­ратной связи R_о.с. и резистором R₁. Это напряжение U(-) равно:

₍₁₎

Рис. 38. Принципиальная схема неинвертирующего

усилителя на ОУ.

Для идеального ОУ входное дифференциальное напряжение ∆U рав­но нулю, следовательно, U_вх. = U. и выражение (1) можно представить в следующем виде:

_{. (2)}

Выражение (2) объясняет назначение схемы - усиление входного сигнала без изменения его знака. Коэффициент усиления с контуром об­ратной связи равен К = (1+R_о.с. / R₁). Можно показать, что входной импе­данс такой схемы Z_вх. очень большой и выражается формулой:

,

где Z_вх. - входной импеданс реального ОУ, имеющий величину порядка 10 МОм.

Также легко показать, что выходной импеданс схемы Z_вых. стремится к нулю, если коэффициент усиления ОУ с разорванной петлей ОС стано­вится очень большим. Таким образом, неинвертирующий усилитель на ОУ может служить буфером между схемами, подключенными к его входу и выходу.

Особым является случай, когда R_о.с. = 0, а резистор R₁ во входной цепи отсутствует (рис. 39). При этом отпадает надобность и в резисторе R₂. Тогда U_вых. = U_вх., Z_вх. = Z^*A, Z_вых. = Z^*_вых. /А, где Z^*_вых. – выходной импеданс реального ОУ. Такая схема называется повторителем напряже­ния, т.к. коэффициент усиления по напряжению для нее равен 1. Эта схема используется для преобразования импеданса и может иметь большой ко­эффициент усиления по мощности.

Рис. 39. Принципиальная схема повторителя напряжения на ОУ.