Инвертирующий усилитель

На рис. 2.2 представлена базовая принципиальная схема инвертирующего усилителя. Здесь и далее цепи питания ОУ не показываются, но подразумевается их наличие. Выражение для коэффициента усиления (передаточной функции) определяется из следующих соображений. Поскольку неинвертирующий вход заземлен, его потенциал равен нулю. Согласно правилу 1 потенциал инвертирующего входа также равен нулю (так называемая виртуальная земля).

Рис. 2.2. Инвертирующий усилитель

В соответствии с первым законом Кирхгофа и с учетом правила 2 можно записать

I _вх = I₀. (2.1)

В соответствии с законом Ома имеем I_вх = U_вх / R_вх и I₀ = –U_вых / R₀. Подстановка этих соотношений в (2.1) дает U_вх / R_вх = –U_вых / R₀, откуда получим

U_вых = – (R₀ / R_вх) U_вх. (2.2)

Таким образом, данная схема инвертирует входной сигнал, и коэффициент усиления инвертирующего усилителя K_u= R₀ / R_вх.

Неинвертирующий усилитель

На рис. 2.3 представлена вторая базовая схема на ОУ – неинвертирующий усилитель.

По правилу 2 ток I₀ должен течь через резисторы R₀ и R_вх на землю, не ответвляясь в ОУ, поэтому можно записать

I₀ = U_вых / (R_вх + R₀).

Рис. 2.3. Неинвертирующий усилитель

Согласно правилу 1 на инвертирующем входе также действует входное напряжение U_вх ,_, поэтому I₀ R_вх = U_вх. Теперь можно записать, что [U_вых / (R_вх + R₀)] R_вх = U_вх, откуда получим

U_вых = U_вх (1 + R₀/ R_вх). (2.3)

Таким образом, рассмотренная схема входной сигнал не инвертирует, ее коэффициент усиленияK_u = (1+ R₀/ R_вх) положителен и всегда больше или равен 1. Можно показать, что входное сопротивление схемы очень велико (близко к бесконечности).

Усилитель с единичным коэффициентом усиления

Если в неинвертирующем усилителе положить R_вхравным бесконечности, аR_оравным нулю, то мы придем к схеме, изображенной на рис. 2.4. Согласно правилу 1 напряжение на инвертирующем входе ОУ должно равняться входному напряжениюU_вх. С другой стороны, неинвертирующий

вход соединен с выходом схемы. Следовательно, U_вых = U_вх, т.е. выходное напряжениеповторяетвходное напряжение.

Рис. 2.4. Повторитель напряжения

Такая схема повторителя напряжения используется в качестве усилителя с большим значением входного сопротивления, обеспечивая развязку предыдущего каскада от нагрузочного влияния следующих за ним каскадов.

Сумматор (суммирующий усилитель)

Инвертирующий усилитель может суммировать несколько входных напряжений. Каждое входное напряжение соединяется с инвертирующим входом ОУ через отдельный резистор. В этом случае инвертирующий вход принято называть суммирующей точкой, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи.

Принципиальная схема сумматора представлена на рис. 2.5. Из равенства нулю напряжения на инвертирующем входе ОУ и нулевого значения входного тока следует

I₀ = (I₁ + I₂ + … + I_n) и I₁= U₁ / R₁, I₂ = U₂ / R₂ , … , I_n = U_n / R_n.

Рис. 2.5. Сумматор

Так как на инвертирующем входе имеем нулевое напряжение, то

I₀ = –U_вых / R₀. После соответствующих подстановок получаем

U_вых = –R₀(U₁ / R₁+U₂ / R₂+…+U_n / R_n)= –(К₁U₁+…+ К_nU_n), (2.4)

где К_i = R₀ / R_i – коэффициент передачи сумматора по i-тому входу.

Как видно из (2.4), резистор R₀влияет на все коэффициенты передачи в схеме, а резисторыR₁, R₂, …,R_nопределяют индивидуальные значения весовых коэффициентов для соответствующих каналов ввода суммируемых напряжений. Кстати, входное сопротивление сумматора поi-тому входу практически совпадает с соответствующимR_i.

При работе с реальными ОУ необходимо обеспечить равенство проводимости цепей, подключенных к различным входам усилителя. Из этого условия к неинвертирующему входу ОУ должен подключаться резистор соответствующего номинала, соединенный своим вторым выводом с землей.