Основные схемы включения ОУ

 

В зависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешних элементов можно получить две фундаментальные схемы включения: инвертирующую и неинвертирующую. Любое схемотехническое решение с применением ОУ базируется на этих включениях.

2.1.1. Инвертирующий усилитель

 

В схеме инвертирующего усилителя (рис.2а) входное напряжение U_вх через резистор R₁ (которое включает в себя внутреннее сопротивление источника сигнала) подается на инвертирующий вход, который с помощью резистора обратной связи R₂ охвачен параллельной обратной отрицательной связью по напряжению. Неинвертирующий вход усилительного каскада заземлен.

а) усилитель б) сумматор

Рис.2. Инвертирующие схемы на ОУ

В таком варианте ОУ выполняет функцию стабильного усиления. Если входное сопротивление самого ОУ существенно превышает значение сопротивлений R₁ и R₂, то входным током I_вх можно пренебречь и считать I₁ = I₂. Это равенство можно записать в виде:

 

,

 

принимая U_- =0 (как отмечалось выше) можно сразу записать

 

.

 

Это выражение является точным лишь для идеального операционного усилителя. Для реального усилителя характерны погрешности. Подставляя

или

получим:

 

,

отсюда, проводя простые преобразования, находим:

 

(3)

Если коэффициент усиления ОУ к₀ достаточно велик, то первым слагаемым в знаменателе (3) можно пренебречь, тогда

(4)

 

Это выражение является фундаментальным для ОУ. При определенных условиях коэффициент усиления схемы зависит только от параметров цепи обратной связи и не зависящие от параметров самого ОУ. Заменяя активные сопротивления R₂ и R₁ комплексными, можно получить желательные переходные и частотные характеристики, по–прежнему не зависящие от параметров ОУ. При этом выражение (4) действительно только при очень высоком значении внутреннего коэффициента усиления к₀ операционного усилителя. Согласно (3) должно выполняться неравенство:

 

(5)

 

Если желательно иметь к₀ =100, то коэффициент к₀ должен быть больше 10³ – 10⁴.

Основной недостаток инвертирующих усилителей состоит в том, что он имеет малое входное сопротивление R_вх =R₁, а в усилителях с большим коэффициентом усиления величина R₁ обычно небольшая. Действительно, входное сопротивление равно (при U_- =0):

 

(6)

Выходное сопротивление ввиду отрицательной обратной связи по напряжению уменьшается в (1+b К₀) раз:

 

, (7)

где .

При R₂ = R₁, К = - 1 и схема на рис.2а превращается в инвертирующий повторитель (инвертор). Кроме того, если ко входу подключить источник тока, то при R₁ = 0 входное сопротивление схемы будет равно большому входному сопротивлению самого ОУ R_вх^/ =R_вх, b» 1, (очень мало), а весь входной ток пойдет через R₂: и выходное напряжение будет пропорционален расти входному току U_вых =- I_вх R₂. Таким образом, схема превратится в преобразователь источника тока в источник напряжения с малым выходным сопротивлением.

2.1.2. Инвертирующий сумматор

(суммирующий усилитель)

На рис.2б показан двухвходовой инвертирующий сумматор, суммирующий два различных напряжения. Входныенапряжения U₁ и U₂ через одинаковые резисторы R подаются на инвертирующий вход ОУ. Так как инвертирующий вход имеет потенциал близкий к нулю, то токи I_вх1 и I_вх2 будут определятся только входными напряжениями U₁ и U₂ и одинаковыми сопротивлениями R и не зависит друг от друга.

 

, .

Поскольку инвертирующий вход практически не потребляет ток, то сумма входных токов протекает только через резистор обратной связи R₂ и создает не нем падение напряжения U_вых = - (I_вх1 + I_вх2) R₂. Подставив в эту формулу соответствующие значения токов, выраженные через входные напряжения, и положив R = R₂, получим:

U_вых =- (U₁ + U₂). (8)

Итак, выходное напряжение равно алгебраической сумме входных напряжений, взятых с обратным знаком.

Если необходимо провести вычитание двух сигналов, то применяют схему, показанную на рис.2в, где одно напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а другое – на неинвертирующий. С помощью резистора R_св осуществляется отрицательная обратная связь. В приведенной схеме .

в) Вычитатель

Рис.2. Инвертирующие схемы на ОУ

 

Для идеализированного ОУ, у которого U₊ = U_- и входной ток равен нулю, а значит и I₁ = - I_cв имеем:

 

(8)

при R₁ = R₂ = R₄ = R_cв, U_вых = U_вх2 – U_вх1.

Таким образом, выходной сигнал в рассматриваемой схеме представляет собой разность сигналов, действующих на ее входах.

 

2.1.3. Неинвертирующий усилитель

 

На этой схеме входной сигнал уже подается на прямой вход ОУ, а напряжение обратной связи на инвертирующий вход.

Рис.3. Неинвертирующий усилитель.

 

Это напряжение обратной связи относительно земли

U_- = b U_вых,

где b = R₁ / (R₁ + R₂).