9.2. Неинвертирующий усилитель

Рассмотрим идеализированный неинвертирующий усилитель, когда на его вход подано, например, положительное напряжение (рис. 9.6). Так как дифференциальное напряжение на входе ОУ пренебрежимо мало, то инвертирующий вход также имеет потенциал E_вх, т. е. V_A=E_вх. Следовательно, ток через сопротивление R₁ равен I_R1*=E_вх/R₁, а его направление зависит от полярности этого сигнала.

Вследствие бесконечно большого (по предположению) входного сопротивления ОУ ток через сопротивлениеR_о.с по величине и по направлению совпадает с током I_R1*.

Выходное напряжение определяется суммой падений напряжений на сопротивлениях R₁ и R_о.с.

Тогда коэффициент усиления идеализированного неинвертирующего усилителя К*=1+R_о.с/R₁. В этом усилителе полярность выходного и входного сигналов всегда совпадает (отсюда и название усилителя—неинвертирующий).

Выходное сопротивление рассматриваемого усилителя равно нулю, а входное (в отличие от аналогичного параметра инвертирующего усилителя) определяется входным сопротивлением ОУ и, следовательно, является достаточно большим.

Если учесть, что коэффициент усиления ОУ конечен, то коэффициент усиления неинвертирующего усилителя примет вид (выражение для него получили ранее в разделе 8.3)

К=К₀(1+К₀), (9.12)

где  =R₁/(R_о.с+R₁)—коэффициент обратной связи. Если К₀>>1, то К=К*=1+R_о.c/R₁. Относительная погрешность расчета коэффициента усиления усилителя по формуле (9.12) совпадает с аналогичной в случае инвертирующего усилителя.

Определим входное сопротивление неинвертирующего усилителя с учетом конечного коэффициента усиления ОУ и его входного сопротивления R_д (рис.9.7). Для входной цепи справедливо:

,

Решив совместно эти уравнения, входное сопротивление неинвертирующего усилителя получим в виде

где К* — коэффициент усиления идеализированного усилителя. Видно, что входное сопротивление неинвертирующего усилителя весьма велико.

Сопротивление R_о.с включено для компенсации ошибок за счет входного тока ОУ. Его величина находится из (9.4). Погрешность неинвертирующего усилителя, вызванная разностным входным током и температурным дрейфом, определяется теми же формулами (9.5) и (9.3), что и инвертирующего усилителя.

В отличие от последнего на входах неинвертирующего усилителя имеется синфазный сигнал. Ошибка, создаваемая им на выходе усилителя,

U_вых= К_сЕ_с =(К₀Е_с)/М_с

Расчет неинвертирующего усилителя подобен расчету инвертирующего усилителя. Отличие состоит лишь в определении величины R₁. В инвертирующем усилителе сопротивление R₁ выбиралось исходя из требуемого входного сопротивления. Здесь же его значение находится несколько из других соображений. Как кажется на первый взгляд, величина сопротивления R₁ (как и R_о.с.) зависит только от требуемого коэффициента усиления. Однако до сих пор не учитывался такой параметр ОУ, как эквивалентное шумовое напряжение, которое усиливается схемой так же, как и напряжение сдвига, создавая на выходе усилителя нежелательный шум:

Здесь е_ш — эквивалентное шумовое напряжение, которое при малых значениях R₁ постоянно и является параметром ОУ. При больших значениях R₁ (R₁>20 к0м) напряжение шумов возрастает прямо пропорционально R₁, т. е. эквивалентное шумовое напряжение сопротивления R₁ становится больше аналогичного параметра ОУ. Поэтому, исходя из требования минимального шума, сопротивление R₁ целесообразно выбирать небольшим (R₁~10 к0м). Для уменьшения на высоких частотах коэффициента усиления по шумам сопротивление R_о.с. часто шунтируют конденсатором малой емкости (С =3пФ).

Благодаря высокому входному и низкому выходному сопротивлениям неинвертирующий усилитель часто используют в качестве измерительного усилителя.

Широкое применение получил так называемый повторитель напряжения (рис. 9.8). Его коэффициент усиления равен единице, входное сопротивление велико, а выходное мало. Повторитель обычно включают между источником сигнала и нагрузкой с целью исключения влияния сопротивления нагрузки на выходное напряжение источника, имеющего сравнимое с нагрузкой внутреннее сопротивление. На рис. 9.9 приведена схема неинвертирующего усилителя переменного напряжения. Можно также реализовать схему неинвертирующего сумматора, например, на два входа (рис. 9.10). Потенциал точки Б, который далее усиливается схемой с коэффициентом усиленияК*=1+R_о.с/R₁=2, определяется лишь цепью е₁ — R — R — Е₂ : Vв=(Е₁+Е₂)/2. Соответстренно выходное напряжение U_вых=КVв =Е₁+Е₂..