Масштабные усилители на ОУ

В зависимости от способа подключения к ОУ элементов цепи ООС, на его основе может быть получен неинвертирующий (рисунок 3.7) или инвертирующий (рисунок 3.9) усилитель.

В неинвертирующем усилителе входной сигнал U_вх подается на неинвертирующий вход ОУ, а напряжение последовательной ООС по напряжению подается на инвертирующий вход с делителя R_ос, R.

Рисунок 3.7 – Неинвертирующий усилитель на ОУ

Полагая, что ОУ является идеальным (то есть K_U0 ® ¥, R_{вх диф} ® ¥, R_вых ® 0), можно записать, что при этом I_вх = 0 и, следовательно, и_вх.диф = 0. Тогда на инвертирующем входе действует напряжение и_вх и ток I определяется из выражения

. (3.6)

Умножив правую и левую части выражения (3.6) на , получим

,

откуда выражение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя, охваченного цепью ООС, примет вид

. (3.7)

Несмотря на то, что выражение (3.7) получено с некоторыми допущениями, идеализирующими ОУ, оно может быть использовано при расчетах с достаточной для практики точностью.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ с ООС как для синфазного, так и для дифференциального сигнала очень велико и может составлять десятки – сотни мегаом. Выходное сопротивление – мало и обычно не превышает десятков Ом.

Частным случаем неинвертирующего усилителя является повторитель напряжения. Его можно получить, если сопротивление R_ос приравнять к нулю, а R ® ¥ (рисунок 3.8). Коэффициент усиления при таком включении, с учетом (3.7), равен K_UOOC = 1. Входное сопротивление, благодаря наличию 100% ООС по напряжению, очень велико, а выходное – очень мало.

Рисунок 3.8 – Повторитель напряжения на ОУ

На основании изложенного выше, а также с учетом (3.8), можно сделать следующие выводы:

а) коэффициент усиления напряжения неинвертирующего усилителя, охваченного последовательной ООС по напряжению, не зависит от его собственного коэффициента усиления напряжения K_U0, а определяется только параметрами элементов цепи ООС;

б) при любых значениях сопротивлений резисторов в цепи ООС коэффициент усиления неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы;

в) в неинвертирующем усилителе фазы (полярности) входного и выходного напряжений совпадают.

Проанализируем схему инвертирующего усилителя на ОУ (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 – Инвертирующий усилитель на ОУ

В инвертирующем усилителе, судя по рисунку 3.9, входной сигнал U_вх и сигнал ОС подают на инвертирующий вход (только в этом случае связь будет отрицательной). Вид образованной ООС – параллельная по напряжению.

Полагая, что ОУ идеальный, получим выражение для коэффициента усиления напряжения инвертирующего усилителя. С учетом принятых допущений, потенциал инвертирующего входа равен потенциалу неинвертирующего и равен нулю. В этом случае можно записать I_вх = I_ос. Поскольку U_{вх диф} = 0, то

,

.

Тогда можно записать

,

откуда окончательно выражение для коэффициента усиления напряжения инвертирующего усилителя примет вид

. (3.8)

Знак минус в выражении (3.8) указывает на то, что фаза (полярность) напряжения на выходе инвертирующего усилителя противоположна фазе (полярности) входного напряжения.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя равно

. (3.9)

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя, как и неинвертирующего, составляет десятки Ом.

Недостатком инвертирующего усилителя является относительно невысокое входное сопротивление, практически равное сопротивлению резистора R.

На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

а) коэффициент усиления напряжения инвертирующего усилителя, охваченногопоследовательнойООС, не зависит от собственного коэффициента усиления напряжения K_U0, а определяется только параметрами элементов цепи ООС;

б) в отличие от неинвертирующего усилителя, выбором резисторов цепи ООС коэффициент усиления напряжения инвертирующего усилителя может быть уменьшен до сколь угодно малой величины;

в) в инвертирующем усилителе фазы входного и выходного напряжений сдвинуты относительно друг друга на 180°.

Охват операционного усилителя ООС обеспечивает расширение его полосы пропускания. Причем чем меньше коэффициент усиления напряжения усилителя с ООС, тем шире его полоса пропускания. Следовательно, неинвертирующий и инвертирующий усилители на основе ОУ могут быть использованы для усиления не только постоянного, но и переменного напряжения, частота которого может изменяться в достаточно широком диапазоне.

В качестве элементов цепи ООС могут быть использованы как резистивные элементы, так и элементы, обладающие реактивным сопротивлением. Поэтому в формулы (3.7) и (3.8) в общем случае вместо сопротивлений R и R_oc можно подставлять полные сопротивления участков цепи ООС, соответственно Z и Z_oc.