6.3. Неинвертирующий усилитель

Если в качестве цепи обратной связи использовать простейший делитель напряжения и производить операцию вычитания напряжений с помощью дифференциальных входов операционного усилителя, то получится изображенная на рис. 6.9 базовая схема охваченного обратной связью неинвертирующего усилителя. Коэффициент обратной связи k равен R₁/(R₁ + R_N).

При допущении идеальности характеристик операционного усилителя коэффициент усиления определяется формулой

Величина А для случая конечного значения дифференциального коэффициента усиления усилителя A_D уже была получена в виде формулы (6.8). При использовании реального операционного усилителя операция вычитания осуществляется неидеально, так как коэффициент ослабления синфазного сигнала имеет конечную величину. Для более точного определения результирующего коэффициента усиления рассмотрим выражение (6.4) и положим напряжение смещения U₀ равным нулю; при U_Gl = U_e и U_D = U_e - k U_a имеем

Если G >> 1 и g = kA_D>> 1, получается приведенное выше выражение.

Важным особым случаем неинвертирующего усилителя является случай, когда k=1,те.R_N=0 и R₁=. Схема такого усилителя изображена на рис 6.10

Рис 6 10 Следящая схема

Из формулы (6 15) получаем коэффициент усиления для этой схемы, равный 1 Подобная схема включения операционного усилителя называется следящей Она используется, как и схема эмиттерного повторителя, в качестве преобразователя сопротивления Существенным преимуществом такой схемы является то, что разница между выходным и входным напряжениями составляет всего несколько милливольт.

Влияние напряжения смещения может быть исследовано по схеме замещения, представленной на рис 6.11.

Рис 611 Схема замещения с учетом влияния напряжения смещения

Легко видеть, что в схемах на рис 6.9 и 6.10 напряжение смещения оказывается приложенным последовательно с входным напряжением. Таким образом, как и входное напряжение, оно будет усиливаться в А раз.

Входное сопротивление

Для определения результирующего входного сопротивления необходимо рассмотреть схему замещения операционного усилителя с включенной обратной связью, изображенного на рис 6 5 Такая схема представлена на рис 6.12

Рис 6.12 Схема замещения с учетом действия входных сопротивлений

Благодаря наличию обратной связи к сопротивлению r_D приложено очень малое напряжение

Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный U_e/gr_D. Поэтому дифференциальное входное сопротивление благодаря действию обратной связи умножается на коэффициент g. Такая обратная связь называется потенциометрической Согласно рис 6.13, для результирующего входного сопротивления имеем

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах превышает 10⁹ Ом. Следует, однако, помнить, что речь здесь идет исключительно о дифференциальной величине; это значит, что изменения тока I_e малы, тогда как среднее значение входного тока I_B может принимать несравненно большие значения

Соотношение параметров схемы можно проиллюстрировать числовым примером. Допустим, что имеется источник сигналов с внутренним сопротивлением Rg = 1 МОм Пусть также погрешность, вносимая усилителем вследствие конечной величины входного сопротивления, не должна превышать 0,1% Тогда можно записать следующее требование к входному сопротивлению усилителя

Такое входное сопротивление, согласно данным табл 6.1, может быть достигнуто при использовании операционного усилителя типа 741. Однако его входной ток при отсутствии сигнала, составляющий I_B = = 200 нА, протекая через источник сигналов, вызовет на нем дополнительное падение напряжения ~ 200 мВ В принципе это падение напряжения можно компенсировать, выбрав внутреннее сопротивление делителя напряжения, включенного в цепь обратной связи усилителя, равным величине Rg. При этом останется только влияние разности входных токов усилителя. Этот метод, однако, редко приводит к желаемому результату, так как часто внутреннее сопротивление источника сигнала заранее точно не известно, поэтому более целесообразно при наличии источника сигнала с сопротивлением свыше 50 кОм использовать операционные усилители с полевыми транзисторами на входах. Такое решение целесообразно также и потому, что операционные усилители с входными полевыми транзисторами имеют лучшие характеристики шума при работе от высокоомного источника сигнала.