11.7. Инвертирующий усилитель

Возможности ОУ как основы аналоговой схемотехники определяются многообразием вариантов его использования в аналоговых устройствах с цепями ООС. Высокий коэффициент усиления по напряжению К_U, которым обладает ОУ без обратной связи, делает затруднительным использование ОУ в линейных (без искажений) схемах.

Постоянное дифференциальное входное напряжение, возникающее из-за асимметрии входного каскада или нестабильности элементов входной цепи, может вызвать у ОУ, имеющего большой коэффициент усиления, смещение или сдвиг постоянного выходного напряжения с нуля до предельного значения U_вых. Операционный усилитель при этом может перейти в режим насыщения, устройство теряет усилительные свойства. Выпускаемые промышленностью ОУ имеют разброс коэффициента усиления, который зависит как от температуры, так и от напряжения источников питания. В связи с этим ОУ всегда используются с глубокой внешней обратной связью, чаще других применяется параллельная ОС по напряжению, что обеспечивает получение требуемой стабильности нуля выходного напряжения и коэффициента усиления.

Операционные усилители используются в качестве инвертирующих и неинвертирующих усилителей, повторителей напряжения, интегрирующих и дифференцирующих, коммутирующих устройств, а так же для создания аналого-цифровых, цифро-аналоговых преобразователей, активных фильтров и других устройств.

Принципиальная схема инвертирующего усилителя без цепей электропитания и частотной коррекции показана на рис. 11.8,а. Входной сигнал подан на инвертирующий вход, поэтому выходное напряжение находится в противофазе со входным напряжением. Резистор R₁ учитывает так же внутреннее сопротивление R_г источника сигнала Е_г. Неинвертирующий вход соединен с общей шиной (землей) через резистор R₂. Так как усиление ОУ очень велико, то с небольшой ошибкой можно считать такую модель идеальной, и в ней выполняются следующие условия K_U, K_I, где K_U и K_I – коэффициенты усиления

по напряжению и току без обратной связи. По цепи резистора R_oc выходной сигнал поступает на вход усилителя в противофазе со входным сигналом, и ОУ охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению. Поэтому коэффициент усиления по напряжению ОУ определяется соотношением

U_вых = K_U(U_вx инв–U_{вx неинв}). (11.11)

Поскольку выходное напряжение U_вых ограничено источником питания, а коэффициент усиления K_U имеет очень большое значение, то разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах должна быть очень малой. В противном случае ОУ будет заходить в область насыщения, что приведет к ограничению положительного и отрицательного значений его выходного напряжения. В связи с этим потенциал на инвертирующем входе (точка О) близок к нулю. Точку О принято называть "кажущейся землей" или "точкой виртуального заземления". Виртуальное заземление означает, что напряжения на входах ОУ практически одинаковы, т.е. . А так как входное сопротивление ОУ имеет очень высокое значение, то входной ток ОУ практически отсутствует. Поэтому ток I_г, протекающий через резистор R₁, так же должен протекать и через R_oc: I_г = I_ос. Коэффициент усиления по напряжению для данной схемы легко рассчитать с помощью понятия виртуального заземления

. (11.12)

Уравнение (11.12) показывает, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется только сопротивлением резисторов и не зависит от характеристик и параметров самого ОУ. Знак "минус" в (11.12) указывает на инвертирование сигнала.

Для реального ОУ необходимо учитывать входной ток самого ОУ I_вх, т.е I_г = I_ос + I_вх. Однако, чем больше К_UОУ и R_вхОУ операционного усилителя, тем меньше влияние I_вх, и на практике можно пользоваться выражением (11.12) с допустимой погрешностью.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на операционном усилителе R_вх инв имеет относительное небольшое значение ввиду сильного влияния параллельной ООС по напряжению

. (11.13)

Анализ выражения (11.13) показывает, что при большом коэффициенте усиления К_{U ОУ}, входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется внешним резистором R_l, который на практике равен или меньше 10 кОм (R_l  10 кОм). Выбрать большим R_l нельзя, ибо в соответствии с выражением (11.12) необходимо увеличивать R_oc. При высокоомных R₁, R_oc, R_{вх ОУ} инвертирующий усилитель становится неустойчивым из-за влияния входной емкости ОУ. Выходное сопротивление инвертирующего усилителя невелико и определяется как небольшим R_{вых ОУ}, так и глубокой ООС по напряжению

. (11.14)

Анализ выражения (11.12) показывает, что изменять величину коэффициента усиления можно с помощью резисторов R_oc и R_l. Однако, сопротивление резистора R_l определяет входное сопротивление инвертирующего усилителя, поэтому изменять коэффициент усиления можно только с помощью резистора R_oc. Если выбрать R_l = R_oc, то коэффициент усиления будет равен 1. Такой усилитель на ОУ принято называть инвертирующим повторителем напряжения (инвертором сигнала).