Вопрос 1.2. Инвертирующий усилитель.

В схеме инвертирующего усилителя (рис. 1.2а) входное напряжение через резистор R₁ подается на инвертирую­щий вход, который с помощью резистора обратной связи R_ос охвачен па­раллельной ООС по напряжению. Не инвертирующий вход усилительного каскада заземлен. (Обратной связи будет посвящена следующая тема).

Для определения параметров инвертирующего усилителя воспользуемся первым законом Кирхгофа для токов инвертирующего входа: I_вх =I₀+I_ос. Поскольку по второму свойству идеального ОУ ток I₀=0, то I_вх =I_ос. Выра­зив токи через соответствующие им входные напряжения, получим:

(1.4)

Рис.1.2. Инвертирующие схемы на ОУ:

а – усилителя; б – сумматора

По первому свойству идеального ОУ напряжение U₀ = 0, поэтому U_вх /R₁=-U_вых/R_ос. Тогда коэффициент усиления инвертирующего уси­лителя:

(1.5)

Согласно формуле (1.5), изменением величины сопротивления обратной связи Roc можно регулировать коэффициент усиления.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя существенно меньше собственного входного сопротивления аналоговой микросхемы ОУ. В схеме точка под­ключения инвертирующего входа ОУ является виртуальным нулем, т.е. по входному сигналу она заземлена. Можно показать, что тогда входное и выходное сопротивления инвертирующего усилителя :

(1.6)

Отметим, что при R₁ = R_oc, К_и = - 1 схема рис. 1.2а превращается в ин­вертирующий повторитель (инвертор).

Еще одним вариантом построения инвертирующего усилителя является преобразователь тока в напряжение. Это достигается при R₁ = 0. Тогда ток I_вх =I_ос =-U_вых /R_ос и выходное напряжение U_вых = -I_вх R_ос.

Вопрос 1.3. Инвертирующий сумматор (суммирующий усилитель)

Для суммирования не­скольких напряжений можно использовать инвертирующее включение ОУ. На рис. 1.2б показан трехвходовый инвертирующий сумматор. Входные напряжения U₁,U₂ и U₃ через резисторы с сопротивлениями R_i подаются на инвертирующий вход ОУ. Учитывая, что напряжение на инвертирующем входе ОУ характеризуется виртуальным нулем, токи I₁, I₂ и I₃ будут заданы соответствующими им входными напряжениями U₁,U₂ и U₃ и сопротивлениями R_i (1.7)

Поскольку, согласно второму свойству идеального ОУ, инвертирующий вход практически не потребляет ток, то сумма всех входных токов I₁, I₂ и I₃ протекает только через резистор R_ос и создает на нем падение напряжения U_вых =-(I₁+I₂+I₃)R_ос. Подставив в эту формулу соответствующие значения токов, выраженные через входные напряжения, и положив R = R_oc, получим:

(1.8)

Итак, выходное напряжение равно алгебраической сумме входных напря­жений, взятых с обратным знаком. Операционные усилители широко использовались в аналоговых системах управления. Например, если взять три сумматора для трёх сигналов (пусть это три координаты цели в трёхмерном пространстве), то меняя сопротивления по правилам матрицы преобразования 3х3 можно управлять отображением движущейся цели на экране РЛС.

В данной схеме инвертирующего сумматора все входные токи полно­стью протекают через резистор обратной связи R_oc. При этом токи прак­тически не влияют друг на друга, следовательно, и входные напряжения не взаимодействуют друг с другом, т.е. все три входа усилителя полностью развязаны. Последнее свойство инвертирующего сумматора исключительно полезно для смешивания (микширования) сигналов низкой (звуковой) частоты, например, голоса и музыкального сопровождения (пример, минусовка: певец приехал, музыканты заболели и остались дома).