Базовые схемы включения операционных усилителей

1.4.1. Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель (рис. 1.5) преобразует входной сигнал, поступающий на инвертирующий вход ОУ так, что выходной сигнал имеет фазу, противоположную фазе входного сигнала (рис. 1.2, б).

Рис. 1.5. Инвертирующий усилитель

Для узла 1 схемы справедливо уравнение баланса токов, составленное по первому закону Кирхгофа:

, (1.3)

где – входной ток операционного усилителя.

Входной ток схемы и ток цепи обратной связи определим по закону Ома как частное от деления приложенного к резисторам и напряжения и их сопротивления:

; , (1.4)

где – напряжение между входами ОУ.

Согласно полученному выше первому правилу входной ток ОУ равен нулю. В этой связи уравнение (1.3) принимает вид

. (1.5)

В соответствии со вторым правилом напряжение между входами ОУ также равно нулю. В этом случае уравнения (1.4) принимают вид

; . (1.6)

Подставляя полученные значения токов в уравнение (1.5), получаем

. (1.7)

Отсюда схемный коэффициент усиления определяется выражением

. (1.8)

Как следует из последнего выражения, коэффициент усиления схемы целиком определяется параметрами резисторов и . Знак «–» в последней формуле свидетельствует о противофазных значениях входного и выходного напряжений. При достаточно большом коэффициенте усиления ОУ напряжение между входами ОУ равно нулю, поэтому при заземленном неинвертирующем входе инвертирующий вход ОУ можно рассматривать как точку «кажущейся земли». Из этого также следует, что входное сопротивление инвертирующего усилителя равно сопротивлению резистора , поскольку его правый вывод подключен к точке с нулевым потенциалом.

1.4.2. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель (рис. 1.6) не изменяет фазы входного сигнала, входное и выходное напряжения изменяются в соответствии с рис. 1.2, а.

Рис. 1.6. Неинвертирующий усилитель

Согласно второму правилу (подразд. 1.3) при на инвертирующем входе ОУ также действует входное напряжение . В силу первого правила ток должен протекать через резисторы и , не ответвляясь на вход ОУ. Делитель напряжения из резисторов и задает следующую зависимость между входным и выходным напряжениями:

. (1.9)

Отсюда коэффициент усиления схемы определяется выражением

. (1.10)

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше 1, а входное сопротивление схемы очень велико (стремится к бесконечности).

1.4.3. Повторитель напряжения

Если в схеме рис. 1.6 положить значения резисторов R_OC = 0 и , то получим схему повторителя напряжения (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Повторитель напряжения

Схемный коэффициент усиления определим из выражения (1.10), подставив в него значения сопротивлений резисторов R_OC = 0 и . В результате подстановки для схемы рис. 1.7 получаем

. (1.11)

Схемный коэффициент усиления равен 1, поэтому схема носит название «повторитель напряжения», так как выходное напряжение схемы в точности повторяет входное. Кроме того, повторитель напряжения имеет, как и схема неинвертирующего усилителя, бесконечно большое входное сопротивление и весьма малое выходное сопротивление. Благодаря этому повторитель напряжения нашел широкое практическое применение.
Использование повторителя напряжения позволяет решать задачу согласования относительно низкоомной нагрузки с высокоомным источником сигнала. Иллюстрацией основного свойства повторителя напряжения может служить пример (рис. 1.8, а), где источник сигнала с внутренним сопротивлением 100 кОм подключен к нагрузке с сопротивлением 100 Ом.

Рис. 1.8. Применение повторителя напряжения: а – схема подключения нагрузки к источнику; б – то же с помощью ОУ

Отношения напряжения нагрузки и источника определяется отношением их сопротивлений ( и ):

, (1.12)

т. е. напряжение на нагрузке примерно в 1000 раз меньше напряжения источника. На практике это означает значительное ослабление сигнала на нагрузке. Для его устранения на рис. 1.8, б между источником и нагрузкой включен повторитель напряжения. При входном сопротивлении повторителя напряжения ›› 100 кОм и его выходном сопротивлении ‹‹ 100 Ом получим . Следовательно, ослабление сигнала будет крайне мало, благодаря чему сигнал источника передается в цепь нагрузки без искажения.