Выходное сопротивление

Как видно из табл. 6.1, реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отношении выходного сопротивления. Оно, правда, может быть в значительной степени уменьшено путем применения обратной связи. Снижение выходного напряжения, вызываемое подключением нагрузки, передается на N-вход усилителя через делитель напряжения R_N, R₁. Возникающее при этом увеличение U_D компенсирует изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется соотношением

Для усилителя, охваченного обратной связью, в соответствии со схемой на рис. 6.9 эта формула принимает вид

При работе усилителя, охваченного обратной связью, величина U_D при изменении нагрузки не остается постоянной, а изменяется на величину

Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного напряжения составляет

Величиной тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи, в данном случае можно пренебречь. Подставив величину dU_a из выражения (6.18), получим искомый результат:

6.4. Инвертирующий усилитель

Еще один способ включения обратной связи состоит в том, что Р-вход операционного усилителя, изображенного на рис. 6.9, заземляется, а входной сигнал подается на ту точку резистора R₁, которая заземлена. Такая схема изображена на рис. 6.13.

Для качественного исследования схемы положим, что входное напряжение мгновенно изменилось от нуля до U_e. При этом величина U_N станет равной

так как в первый момент времени выходное напряжение U_a еще равно нулю. Таким образом, напряжение U_D = U_P - U_N будет иметь отрицательную величину. Вследствие высокого коэффициента усиления A_D выходное напряжение быстро установится равным некоторой отрицательной величине. Одновременно также станет уменьшаться величина U_N. При этом выходное напряжение будет уменьшаться до тех пор, пока входное напряжение усилителя U_N не станет практически равным нулю.

Чтобы вычислить установившуюся величину выходного напряжения, при которой U_N 0, запишем для узла на N-входе операционного усилителя первый закон Кирхгофа с учетом того, что в идеальном операционном усилителе входной ток равен нулю:

Принцип действия отрицательной обратной связи в данной схеме можно сформулировать следующим образом: в пределах линейной области операционный усилитель обеспечивает такую величину выходного напряжения, что напряжение на его входе U_N 0. Таким образом, N-вход в данной схеме аналогичен точке нулевого потенциала, поэтому его называют также точкой виртуальной массы или суммирующей точкой. В отличие от схемы неинвертирующего усилителя коэффициент усиления синфазного сигнала здесь не играет никакой роли, а фаза выходного напряжения противоположна фазе входного напряжения.

Для более точного определения коэффициента усиления по напряжению, охваченного обратной связью усилителя, определим величину U_N, которая, строго говоря, не равна нулю:

Эта величина соответствует выражению (6.21). Отклонение от идеального соотношения, как и для схемы неинвертирующего усилителя, определяется коэффициентом петлевого усиления g = kA_D.

Входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя имеет существенно меньшую величину, чем собственное входное сопротивление операционного усилителя. Его можно определить, рассмотрев схему на рис. 6.13, при U_N  0. В результате получается выражение

При U_e = const обе схемы, представленные на рис. 6.9 и 6.13, в режиме малого сигнала идентичны, поэтому вычисление выходного сопротивления инвертирующего усилителя дает тот же результат, что и для схемы неинвертирующего усилителя.