4. Инвертирующий усилитель

Так как операционный усилитель (ОУ) имеет большой коэффициент усиления по напряжению , то даже малое дифференциальное входное напряжение, которое может возникнуть из-за ассиметрии входного каскада или нестабильности элементов входной цепи, способно перегрузить ОУ и вызвать смещение от 0 до . Тогда ОУ окажется в состоянии насыщения и потеряет способность усиливать. Кроме того зависит от температуры и .

Вследствие указанных причин ОУ почти всегда применяется с глубокой ОС, которая обеспечивает получение хорошей стабильности и нуля выходного напряжения. Чаще других применяются параллельная ООС по напряжению.

Рисунок 2.15 Схемы инвертирующего усилителя на базе ОУ с внешней ООС (без цепи питания и частотной коррекции)

Это базовая схема, на основе которой строятся почти все остальные. Название усилителя говорит о том, что входной сигнал должен подаваться на инвертирующий вход. Сигнал ОС тоже должен подаваться на инвертирующий вход (только тогда ОС OOC). Также ОС оказывается параллельной и по напряжению.

Для идеального ОУ:

Учитывается также, что ограничено , и можно считать

Следовательно, ток , протекающий через резистор R1, равен току , протекающий через . Так как , то всё входное напряжение падает на резисторе R1:

а всё выходное напряжение падает на резисторе :

.

Отсюда коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с ОС:

Входное сопротивление:

Выходное сопротивление: , так как даже без ОС ; кроме того, здесь ОС – отрицательная по напряжению, она понижает выходное сопротивление; глубина её бесконечна, так как

Уравнение показывает, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется только сопротивлением резисторов и не зависит от характеристик самого ОУ. Знак “–“ указывает на инвертирование.

Недостатком инвертирующего усилителя является невысокое (на практике 10 кОм). Выбрать большим нельзя, так как необходимо увеличивать . При высокоомных , инвертирующий усилитель становится неустойчивым из-за влияния входной дифференцирующей ёмкости. Простейший способ снижения – подключение его к выходу ОС через делитель , .

Коэффициент передачи от входааменьше, чем к зажимам выхода. Благодаря этому при том же требуемое оказывается большим, что и повышает входное сопротивление.

4. Неинвертирующий усилитель

В этом усилителе входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ), а напряжение обратной связи (ОС – по-прежнему на инвертирующий вход через делитель , . Она оказывается последовательной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. При упрощённом анализе схемы:

Напряжение обратной связи снимаемое с делителя , , пропорционально выходному напряжению:

Рисунок 2.16 Схема неинвертирующего усилителя

Поскольку и подаются на разные входы операционного усилителя (ОУ), то для идеального операционного усилителя = и коэффициент усиления:

=> коэффициент усиления неинвертирующего усилителя больше, чем инвертирующего усилителя при одинаковых , ,и глубине обратной связи (ОС). Это обусловлено тем, что в инвертирующем усилителе входное напряжение (U_ос) дополнительно ослабляется делителем , .

За счёт глубокой последовательной ООС и большого входного сопротивления операционного усилителя, входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и определяется следующим выражением:

Его анализ показывает, что с уменьшением , возрастает и может составлять десятки ГОм.

Благодаря глубокой ООС по напряжению и при одинаковой её глубине выходное сопротивление в неинвертирующем и инвертирующем усилителях мало и не превышает десятки Ом.

При увеличении глубины ООС в неинвертирующем усилителе уменьшается и при 100% ООС ( )коэффициент усиления неинвертирующего усилителя => неинвертирующий усилителе становится повторителем напряжения. Так, как в повторителе всё выходное напряжение подаётся на вход, то необходимость в , отпадает. Для входной цепи можно записать:

;

=> =>

т.к. велик, то стремится к нулю.