Неинвертирующий усилитель

Входной сигнал подается на прямой вход ОУ, рис. 5, а напряжение обратной связи на инверсный.

Рис. 5.

откуда

Коэффициент усиления будет равен

Минимальные значения резисторов в рассмотренных схемах ограничиваются нагрузочной способностью ОУ, а максимальные - соизмеримостям токов, протекающих по высокоомным резисторам, с диодными токами.

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя за счет обратной связи меньше, чем у самого ОУ.

Частный случай неинвертирующего усилителя – неинвертирующий повторитель R₁=,R₂=0,K=1. (Рис. 6).

Рис. 6.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя равно

где i_вх– входной ток между входами:

где R_вхОУ- входное сопротивление ОУ (без ОС).

При (U_вх-U_A) –> 0 ,i_вх–>0 иR_вх>>R_вхОУ

В ряде случаев входной сигнал подают на неинвертирующий вход через резистор, что позволяет уменьшить погрешность от разности входных токов.

1. Усилители с обратной связью

Задача 1.1. Разработайте инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления –50 и входным сопротивлением 100 кОм.

Теория. В инвертирующем усилителе с ОС можно изменять коэффициент усиления. Сигнал на его выходе инвертирован по отно­шению ко входу. Схема инвертирующего уси­лителя показана на рис. 1.1. Резистор R_F в цепи ОС включен между выходным и вход­ным инвертирующим зажимами. В цепь меж­ду инвертирующим входом и зажимом, к ко­торому подводится усиливаемый сигнал, вклю­чено сопротивление R_1. Коэффициент уси­ления усилителя при замкнутой цепи ОС обозначен через А_цс.

При расчете коэффициента усиления пред­полагается, что ОУ идеальный. Поэтому коэф­фициент усиления при разомкнутой цепи ОС равен бесконечности и входной ток I_i = 0. Поскольку выходное напряжение имеет опре­деленное значение, а коэффициент усиления при разомкнутой цепи ОС равен бесконеч­ности, дифференциальное напряжение U_A=0. Узел А называют виртуальной землей. Для узла А можно записать I_i= I_F

и

Рассчитывая коэффициент усиления по напряжению, получаем

(1.1)

Так как узел А имеет потенциал земли, входное сопротивление ОУ

(1.2)

Рис. 1.1. Инвертирующий усилитель

Решение. Для схемы на рис. 1.1 соглас­но уравнению (1.2) . Пусть = 100 кОм. Решая уравнение (1.1) относи­тельно получаем =50 • 100 • 10³ =5 • 10⁶ =5 МОм. Знак «-» говорит о том, что сигнал подается на инвертирующий вход.

Задание. Рассчитать и промоделировать инвертирующий усилитель на основе ОУ 741 со следующими параметрами:

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Коэффициент усиления	30	35	20	200	80	100	60	75	140	120	125	130	135	140	145
Входное сопротивление, кОм	100	60	2000	100	80	200	75	91	120	140	100	110	120	130	140

№ варианта	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
Коэффициент усиления	150	155	160	165	170	175	180	140	145	120
Входное сопротивление, кОм	150	140	130	120	110	100	90	100	90	140

Установить параметры генератора:

• Тип сигнала: «~»

• Частота 1 кГц

• Напряжение 10 мВ

Неинвертирующий усилитель. Усилитель может быть включен таким образом, что его выходное напряжение совпадает по фазе с входным. Такой вариант включения ОУ назы­вается неинвертирующим (рис. 1.2). Вход­ной сигнал подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход соединен с ре­зистором ОС.

Рис. 1.2. Неинвертирующий усилитель

Задача 1.2. Разработайте неинвертирующий усилитель, обеспечивающий выходное напряже­ние 1 В при входном сигнале 10 мВ.

Теория. Для расчета коэффициента усиле­ния неинвертирующего усилителя (рис. 1.2) примем, что токи через резисторы иравны (считаяI_i ~ 0 ), тогда

Используя концепцию виртуальной земли (), получаем

(1.3)

Если , то

(1.4)

Решение. Коэффициент усиления при зам­кнутой цепи ОС Аис = 1/0,001 = 100. Соглас­но уравнению (1.3) запишем 100=1 +или = 99. Пусть =2,2 кОм, тогда =99 - 2,2 =217,8 кОм.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя обычно очень велико.

Установить параметры генератора:

• Тип сигнала: «~»

• Частота 1 кГц

• Напряжение по варианту

Задание. Рассчитать и промоделировать неинвертирующий усилитель на основе ОУ 741 со следующими параметрами:

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Выходное напряжение, В	4	5	12	2	8	10	6	7,5	14	12	11	10	9	8	7
Входное напряжение, мВ	100	60	2000	100	80	200	75	90	120	140	120	125	130	135	140

№ варианта	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
Выходное напряжение, В	6	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Входное напряжение, мВ	145	150	155	160	165	170	175	180	185	190

Источники тока, управляемые напряже­нием. Источники тока широко применяются в цепях смещения, измерительных и времязадающих схемах. Источник, показанный на рис. 1.3, управляется входным напряже­нием U_i.

Задача 1.3. Разработайте вольтметр для измерения напряжений в диапазоне от 0 до 10 В с использованием измерительного прибо­ра, рассчитанного на ток 1 мА, и источника тока, изображенного на рис. 1.3.

Теория. В этом источнике тока нагрузка включена между неинвертирующим входом и землей.

Ток нагрузки ,(1.5)

а напряжение на ней

(1.6)

Рис. 1.3. Источник тока, управляемый напряжением

Так как , то, подставляя (1.5) в (1.6), получаем

(1.7)

и соответственно

(1.8)

Решение. Прибор включен вместо для измерения тока. Поскольку отклоне­ние стрелки прибора при токе 1 мА необхо­димо обеспечить при входном напряжении 10 В, из уравнения (1.5) находим

Задание. Рассчитать и промоделировать источник тока на основе ОУ 741 со следующими параметрами:

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Диапазон напряжений на входе, от 0 В до ...	4	5	12	2	8	10	6	7,5	14	12	14	7.5	6	10	8
Выходной ток, мА	1	0,6	2	10	0,8	0,2	0,75	0,9	1,2	1,4	1	0.6	2	10	0.9

№ варианта	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
Диапазон напряжений на входе, от 0 В до ...	2	12	5	4	12	14	7.5	5	6	12
Выходной ток, мА	0.75	1	0.8	10	1	2	0,6	0,75	1	0.8

Содержание отчета.

1. Краткие теоретические сведения о работе рассмотренных схем.

2. Расчетная часть в соответствии с заданием и номером варианта.

3. Результаты моделирования в программе EWB: АЧХ, ФЧХ, зависимость расчетного параметра от входных воздействий. Для задачи 1.1 и 1.2

4. Анализ полученных результатов моделирования и их соответствие расчетом.

5. Выводы.

Контрольные вопросы.

1. Объяснить принцип работы устройства по принципиальной схеме.

2. Объяснить назначение и функцию каждого элемента в принцип схеме

3. Определение – обратная связь, виды обратных связей. В каких случаях применяются положительные, а в каких отрицательные обратные связи.

4. Чем отличается реальный ОУ от идеального?