6.3. Інвертуючий підсилювач
Найчастіше ОУ використовується в інвертуючих і неінвертуючих підсилювачах. Спрощена принципова схема інвертуючого підсилювача на ОУ приведена на малюнку 6.7.
Резистор
є внутрішнім опором джерела сигналу
за
допомогою
ОУ охоплений ||ООСН.
При
ідеальному ОУ різниця напруги на вхідних
затисках прагнути до нуля, а оскільки
неінвертуючий вхід сполучений із
загальною шиною через резистор
то
потенціал в крапці а
теж
повинен бути нульовим ("віртуальний
нуль", земля, що "здається"). В
результаті можемо записати:
тобто
.
Звідси отримуємо:
,
тобто
при ідеальному ОУ
визначається відношенням величин
зовнішніх резисторів і не залежить від
самого ОУ.
Для
реального ОУ необхідно враховувати
його вхідний струм
тобто
або
де
- напруга сигналу на інвертуючому вході
ОУ, тобто в крапці а.
Тоді для реального ОУ отримуємо:
.
Неважко
показати, що при глибині ООС більше 10,
тобто
погрішність
розрахунку
для випадку ідеального ОУ не перевищує
10%, що цілком достатньо для більшості
практичних випадків.
Номінали резисторів в пристроях на ОУ не повинні перевищувати одиниць мегом, інакше можлива нестабільна робота підсилювача із-за струмів витоку, вхідних струмів ОУ і тому подібне Якщо в результаті розрахунку величина перевищить граничне значення, що рекомендується, то доцільно використовувати Т-подібний ланцюжок ООС, який при помірних номіналах резисторів дозволяє виконати функцію еквівалента високоомного (малюнок 6.7б) . В цьому випадку можна записати:
.
На
практиці часто вважають, що
а
величина
зазвичай задана, тому
визначається досить просто.
Вхідний
опір інвертуючого підсилювача на ОУ
має
відносно невелике значення, визначуване
паралельною ООС:
,
тобто при великих вхідний опір визначається величиною .
Вихідний
опір інвертуючого підсилювача
у
реальному ОУ відмінно від нуля і
визначається як величиною
так
і глибиною ООС F. При F>10
можна записати:
.
За допомогою ЛАЧХ ОУ можна представити частотний діапазон інвертуючого підсилювача (див. малюнок 6.6), причому
.
У
межі можна отримати
тобто
отримати інвертуючий повторитель.
В цьому випадку отримуємо мінімальний
вихідний опір підсилювача на ОУ:
.
В
усилителе на реальном ОУ на выходе
усилителя при
всегда будет присутствовать напряжение
ошибки
,
порождаемое
и
.
С целью снижения
стремятся выровнять эквиваленты
резисторов, подключенных к входам ОУ,
т.е. взять
(см. рисунок 6.7а). При выполнении этого
условия для
можно записать:
.
Зменшення можливо шляхом подачі додаткового зсуву на неінвертуючий вхід (за допомогою додаткового дільника) і зменшення номіналів вживаних резисторів.
На основі розглянутого інвертуючого УПТ можливе створення підсилювача змінного струму шляхом включення на вхід і вихід розділових конденсаторів, номінали яких визначаються виходячи із заданого коефіцієнта частотних спотворень (див. підрозділ 2.5).
6.4. Неінвертуючий підсилювач
Спрощена принципова схема неінвертуючого підсилювача на ОУ приведена на малюнку 6.8.
Неважко показати, що в неінвертуючому підсилювачі ОУ охоплений ПООСН. Оскільки і подаються на різні входи, то для ідеального ОУ можна записати:
,
звідки коефіцієнт посилення по напрузі неінвертуючого підсилювача:
,
або
.
Для неінвертуючого підсилювача на реальному ОУ отримані вирази справедливі при глибині ООС F>10.
Вхідний
опір неінвертуючого підсилювача
велике
і визначається глибокою послідовною
ООС і високим значенням
:
.
Вихідний опір неінвертуючого підсилювача на ОУ визначається як для того, що інвертує, оскільки в обох випадках діє ООС по напрузі:
.
Розширення смуги робочих частот в неінвертуючому підсилювачі досягається також, як і в тому, що інвертує, тобто
.
Для зниження струмової помилки в неінвертуючому підсилювачі, аналогічно тому, що інвертує, слід виконати умову:
.
Неінвертуючий підсилювач часто використовують при великих (що можливо за рахунок великого ), тому виконання цієї умови не завжди можливо із-за обмеження на величину номіналів резисторів.
Наявність
на інвертуючому вході синфазного сигналу
(передаваного по ланцюгу: неінвертуючий
вхід ОУ
вихід ОУ
інвертуючий вхід ОУ) приводить до
збільшення
що
є недоліком даного підсилювача.
При
збільшенні глибини ООС можливе досягнення
тобто
отримання неінвертуючого повторителя,
схема якого приведена на малюнку 6.9.
Тут досягнута 100% ПООСН, тому даний повторитель має максимально велике вхідне і мінімальне вихідне опори і використовується, як і будь-який повторитель, як каскад, що погоджує. Для неінвертуючого повторителя можна записати:
,
тобто напруга помилки може досягати досить великої величини.
На основі розглянутого неінвертуючого УПТ також можливе створення підсилювача змінного струму шляхом включення на вхід і вихід розділових конденсаторів, номінали яких визначаються виходячи із заданого коефіцієнта частотних спотворень (див. підрозділ 2.5).
Крім інвертуючого і неінвертуючого підсилювачів на основі ОУ виконуються різні варіанти УУ, деякі з них будуть розглянуті нижче.