Неивертирующий усилитель

Рассмотрим схему неинвертирующего усилителя (рис.12.3).

Для анализа схемы воспользуемся тем, что разность напряжений для ОУ, охваченного ООС, равно нулю. Тогда напряжение в точке А U_A = U_ВХ. Напряжение U_A снимается с делителя напряжения:

U_А = U_ВЫХ R₁ / (R₁ + R_ОС).

Если U_А = U_ВХ, то

К_U = U_ВЫХ / U_ВХ =1 + R_ОС / R₁.

Рис.12.3. Неивертирующий усилитель на ОУ

В смехе реализована последовательная ООС по напряжению, вследствие чего входное сопротивление схемы велико (для ОУ с биполярными транзисторами на входе оно превышает 10⁸ Ом), а выходное – доли Ом.

Главное достоинство схемы – высокое входное сопротивление, недостаток – на входе ОУ имеется синфазное напряжение, равное входному сигналу.

На рис. 12.4 представлен повторитель на основе ОУ. Он представляет собой неинвертирующий усилитель, в котором сопротивление резистора R₁ равно бесконечности (разрыв), а сопротивление резистора R_ОС – нулю (замыкание), при этом коэффициент передачи схемы равен нулю.

Усилитель с единичным коэффициентом повторения называют иногда буфером, так как он обладает отличными свойствами для согласования схем с высокими выходными и низкими выходными сопротивлениями. Существуют специальные операционные усилители, предназначенные для использования только в качестве повторителей. Они обладают улучшенными характеристиками, в основном более высоким быстродействием.

Во многих случаях требуется, чтобы в усилителе происходило усиление только переменных сигналов, причем возможно наличие постоянной составляющей входного сигнала. Для этой цели применяют включение во входной цепи разделительного конденсатора (рис.12.5).

Рис.12.4. Повторитель на ОУ

Рис.12.5. Усилитель переменного тока на ОУ

Резистор R_ВХ включен для того, чтобы не происходила зарядка конденсатора входным током ОУ и не появлялось дополнительное напряжение смещения на входе. Основной недостаток схемы состоит в том, что резистор R_ВХ шунтирует собой вход схемы, а входное сопротивление схемы равно сопротивлению резистора R_ВХ, что гораздо меньше входного сопротивления ОУ. Величина R_ВХ определяет напряжение смещения на выходе. Для устранения на выходе схемы постоянного напряжения необходимо поставить последовательно с выходом разделительный конденсатор.

Суммирующий и вычитающий усилители

Сумматор на основе ОУ – инвертирующий усилитель с дополнительными входами (рис.12.6). В этой схеме также используются свойства мнимой земли.

Рис.12.6. Суммирующий усилитель

Составляя уравнение баланса токов и полагая, что входы ОУ ток не потребляют, имеем:

I_OC = I₁ + I₂.

Поскольку инвертирующий вход ОУ в этой схеме является мнимой землей, токи можно выразить через напряжения сигналов и сопротивления резисторов следующим образом:

–U_ВЫХ / R_ОС= U₁ / R₁ + U₂ / R₂,

U_ВЫХ = –( U₁ R_ОС / R₁ + U₂ R_ОС / R₂).

Сопротивления резисторов обычно лежит в пределах от 10 до 100 кОм, удобно их выбрать так, чтобы выполнялись равенства R_ОС = R₁ + R₂, в этом случае:

U_ВЫХ = –( U₁ + U₂ ).

Заметим, что хотя выходной сигнал и равен по величине сумме входных сигналов, все же знак его – обратный, это свойство схем с мнимой землей.

Характерная особенность схемы в том, что входные сигналы не влияют друг на друга.

В схеме дифференциального усилителя (рис. 12.7) входная цепь выполнена так, что подача сигнала обратной связи совмещена с наличием дифференциального входа, фактически эта схема представляет собой комбинацию схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Вход U_ВХ1 является инвертирующим, вход U_ВХ2 – неинвертирующим. Если вход U_ВХ2 заземлить, а на вход U_ВХ1 подать сигнал, то получившаяся схема будет эквивалентна инвертирующему усилителю с коэффициентом усиления напряжения –R_ОС / R₁. Если входы поменять местами, то получится неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления напряжения R_ОС / R₁. Относительное ослабление синфазного сигнала, в принципе, может быть таким же большим, каким оно является у самого ОУ, но на практике оно ограничено допусками на сопротивления резисторов.

Рис.12.7. Дифференциальный усилитель

В случае, если сопротивления всех резисторов в схеме одинаково R₁ = R₂ = R₃ = R_ОС,

U_ВЫХ = U_ВХ2 – U_ВХ1.

Входное сопротивление схемы по инвертирующему входу равно R₁, а по неинвертирующему – R₂ + R_3, при этом они могут различаться весьма существенно. Но ведь одним из важных применений дифференциального усилителя является подавление с его помощью фона и помех, которые наводятся на проводящих проводах. Если сопротивление источника сигнала не мало, то значительное различие входных сопротивлений становится существенным недостатком.

Обычно бывает можно пожертвовать оптимальными условиями согласования по постоянному току, беря сопротивления такими, чтобы выполнялись равенства: R₂+R₃=R₁; R₂/R₃=R_ОС /R₁; при этом входные сопротивления выравниваются, а коэффициент подавления синфазной помехи остается большим. Для получения больших значений этого коэффициента используют дифференциальные усилители на нескольких ОУ.