ОБРАТНЫЙ СИГНАЛ

Даже после появления цифровых вычислительных машин вычисления и обработка сигналов зачастую производились средствами аналоговой электроники. Основу этих устройств составляли операционные усилители.

Операционные усилители как класс появились в качестве унифицированных элементов аналоговых вычислительных машин (АВМ) после Второй Мировой войны. На них собирались звенья, производящие математические операции: сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.п. Слово «операционный» в названии появилось в силу этого факта. В качестве входного сигнала использовалось напряжение.

Вычисления могли быть достаточно сложными и требовать большого количества звеньев, что выдвигало достаточно жёсткие требования к унификации и стабильности характеристик операционных усилителей. Выполнение требований стабильности характеристик достигалось введением в схемы звеньев отрицательной обратной связи (ООС). Для унифицированных операционных усилителей применялась внешняя обратная связь. Характеристики такого звена определялись исключительно параметрами цепи обратной связи.

Массовое применение операционных усилителей началось со второй половины 60-х годов прошлого века, когда был налажен серийный выпуск относительно недорогих интегральных ОУ. Использование микросхем операционных усилителей стало тогда экономически целесообразным сначала в промышленной электронике, а затем и в бытовой технике.

В качестве КДПВ использована фотография советского аналога операционного усилителя LM101, одного из первых массовых интегральных ОУ.

Я долго думал куда отнести данный материал- в Ардуино

или в Радио

так как в практике сборки поделок на Ардуино частенько приходится инвертировать сигнал для более корректной и правильной работы. Данная ситуация уже встречалась ТУТ

на страницах моего сайта. Чтобы немного разобраться в данной теме я и решил написать данную статью. Она может пригодиться вам в дальнейшем построении поделок на Ардуино. Вы спросите где? Да вот например у меня на сайте есть самоделка Отпугиватель мышей

, так вот там желательно бы использовать усилитель для открытия затвора полевого транзистора. Но если включить схему с общим эммитером то получится что в паузах полевой транзистор будет открываться и динамическая головка просто сгорит. Как раз на этих двух поделках мы и разберем схемотехнику построения усилителей и инверторов. Давайте сначала объясню немного принципы построения усилителей и инверторов.

На данном рисунке представлены 3 классические схемы включения усилителя на 1 транзисторе структуры N-P-N
. Разберем первую схему. Это усилитель с общим эммитером (эммитер подключен напрямую к проводу Gnd).

С чем это можно сравнить. Например кран с водой. Вода в трубах это эммитер (вывод со стрелкой), кран- база, а сам выход смесителя- коллектор (вывод противоположный эммитеру). Если мы немного приоткроем кран- вода потечет несильно. Чем сильнее открываем- тем сильнее течет. Такой же принцип работа и у транзистора. При поступлении напряжения на базу (на схеме подписан Iб- ток базы, так вот этот провод и есть База, т.е. вывод, который управляет транзистором). При поступлении напряжения, пускай даже небольшой величины, транзистор начинает открываться. И открывается он тем больше чем больше напряжение на базе. Это грубое объяснение но приблизительно это выглядит так. Единственное замечание- сигнал при таком включении инвертируется
. Т.е. если мы подали положительное напряжение на вход (отрицательным n-p-n транзистор не откроется) то на выходе (коллекторе) получим отрицательный сигнал противоположный по фазе. Назначение деталей в таком усилителе следующее. Конденсатор на входе как и на выходе не позволяет проходить постоянной составляющей вместе с сигналом, т.е. проходит только частотные колебания. Если убрать оба конденсатора то схема становится зависимой от подаваемого на базу напряжения. Т.е. можем управлять транзистором как ключом! Резистор на базе- смещающий. Он вводит базу в режим близкий к открытию, вследствие чего даже небольшой по амплитуде сигнал уже может открыть транзистор. Резистор на коллекторе играет роль нагрузки и с него снимается собственно сигнал.

Вторая схема- общий коллектор (коллектор подключен напрямую к шине питания). Принцип работы абсолютно такой же только сигнал не инвертируется
а просто усиливается. Назначение деталей абсолютно такое же.

И, наконец, третья схема- общая база. Здесь деталей побольше, схема посложнее но используется и встречается довольно редко и обычно такую схему применяют во входных каскадах различных микшеров и т.д. Назначение деталей. Резистор на входе определяет входное сопротивление усилителя. R2 и R3 задают жестко фиксированное смещение, которое всегда держит транзистор приоткрытым (такое включение резисторов и базы называют также термокомпенсацией т.к. при длительной работе транзистор, пусть и незначительно, нагревается. Из за чего возникает процесс «уплывания» характеристик транзистора. В таком включении на базу подается всегда одно и тоже напряжение и транзистор принудительно вводится в требуемый режим.). Резистор на выходе- нагрузка. Такие схемы обычно применяют для согласования каскадов по входному/ выходному сопротивлению. Сигнал в данной схеме не инвертируется
. В Ардуино не используется вообще.

Можно конечно поставить и p-n-p транзистор вместо n-p-n. Для этого надо просто поменять коллекторы и эммитеры местами в схеме включения (я привожу пример для работы с Ардуино).

Данные схемы включения транзисторов являются электронными ключами. Принцип работы такой же как и у работы в режиме усилителя. Разница в отсутствии конденсаторов на входе/выходе схемы позволяет управлять транзистором уже ПОСТОЯННЫМ током. Т.е. если на базу транзистора подать напряжение то транзистор откроется и будет открытым до тех пор пока будет присутствовать напряжение на базе. Кроме того мощность выходного каскада значительно возрастает! Действительно, максимальный выходной ток Ардуино- 25мА, этого на самом деле мало. Но этим током можно открыть небольшой транзистор который позволит оперировать током уже в 250-300мА. А если следующий каскад на более мощном транзисторе то нагрузка уже может достигать нескольких ампер. Сразу мощный каскад подключить нельзя т.к. тока 25мА обычно не хватает на открытие мощных транзисторов (если эти транзисторы не составные). Принцип работы такой- же. Подаешь напряжение на базу- на выходе получаем напряжение. Пробегусь еще по схеме. В цифровой технике смещение на базу уже не так необходимо как в усилительной технике. Поэтому обычно резистор на базу не ставят вообще. Но, чтобы ограничить ток и исключить пульсации, ставят резистор между базой и общим проводом, т.е. принудительно закрывают транзистор небольшим сопротивлением в 1-10кОм. При появлении напряжения просадка напряжения незначительная и оставшегося напряжения вполне хватает на открытие транзистора.

Как же определить без запоминания какая схема инвертирует и какая неинвертирует сигнал. Давайте разбираться. Возьмем схему с общим эммитером. В закрытом состоянии (напряжение на базе отсутствует) транзистор не пропускает напряжение (по аналогии с водопроводным краном кран закрыт), значит можно грубо представить что транзистор вообще отсутствует. На выходе появляется напряжение проходящее с плюсового провода через резистор R2. Т.е. при отсутствии сигнала на входе- на выходе логическая 1. Теперь подадим напряжение на базу. Транзистор открылся и через него потек ток с общего провода на резистор R2. Т.е. резистор R2 является нагрузкой для транзистора. Теперь можно представить что появилась как бы перемычка между общим проводом и нижним концом резистора R2. На этом резисторе тоже происходит небольшое падение напряжения но все равно на выходе будет напряжение близкое к нулю (часть напряжения будет теряться на кристалле транзистора). Т.е. на выходе получили логический ноль. Теперь понятно что при подаче напряжения на вход (логическая 1) на выходе получим логический 0. Делаем вывод что схема включения транзистора с общим эммитером инвертирует сигнал или проще говоря меняет полярность. Для чего нужна такая схема спросите вы. Отвечаю. Все для того же усиления выходного сигнала. Т.е. если вы поставите два транзистора последовательно по схеме с общим эммитером то на выходе получите уже нормальный, неинвертированный сигнал. При этом ток коммутации нагрузки будет равен току коллектора второго транзистора! Ну а если ток не будет превышать 100-200мА то следует учитывать в скетче что сигнал после обработки и усилением одним транзистором будет проинвертирован. Если же вы не хотите инвертировать сигнал то можно воспользоваться схемой с общим коллектором. В данной схеме при поступлении напряжения на базу открывается транзистор и ток проходит на резистор R2 (представьте что появилась перемычка). Часть напряжения гасится на резисторе но основная часть напряжение поступает на выход. Т.е. подали на базу логическую 1- на выходе тоже логическая 1. Такая же ситуация и с нолем на базе. Транзистор закрыт и выход оказывается подключен через резистор на землю. Выходит что данное включение не инвертирует сигнал.

Для чего я постарался все это разжевать. Довольно часто приходится усиливать выходные сигналы напрямую с выводов. Можно конечно использовать оптроны и потом уже с выхода коммутировать нагрузку, особенно это актуально в высоковольтных схемах, дабы предотвратить попадание высокого напряжение в низковольтную часть. Но иногда нужно быстренько усилить амплитуду сигнала, например подключить 12В реле. Для этого смотрим какой ток потребляет реле. Выбираем транзистор. Собираем нужную схемы с учетом инвертирования сигнала. Подаем 12В на схему с транзистором, при этом Ардуино будет питаться от 5В. Все. Скоммутировали реле на 12В! Так же можно поступать и с любым другим напряжением но, как и написано выше, при высоких напряжениях лучше использовать оптроны для безопасности.

▍ Идеальный инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель является пропорциональным (усилительным) звеном. Он производит операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току. Цепь обратной связи состоит из делителя напряжения, собранного на резисторах R1 и R2:

Из свойства 5 модели следует, что напряжение на инвертирующем входе ОУ U _вх-
равно напряжению на неинвертирующем входе U _вх+
. Поскольку, неинвертирующий вход ОУ подключен к общему проводу, на инвертирующем входе образуется потенциал 0 В.

Согласно свойству 1 модели идеального операционного усилителя, инвертирующий вход ток не потребляет, следовательно, падение напряжения на резисторе R1 равно напряжению U _вх
, падение напряжения на резисторе R2 равно напряжению U _вых
, токи через резисторы делителя равны.

Получаем следующее соотношение:

из которого следует:

Согласно формуле

,

коэффициент передачи инвертирующего усилителя:

Из формулы

видно, что коэффициент передачи идеального инвертирующего усилителя может быть в пределах от 0 до — ∞.

Входной импеданс идеального инвертирующего усилителя равен сопротивлению резистора R1, поскольку, согласно свойству 1 модели идеального усилителя на ОУ входы не потребляют ток, и на инвертирующем входе установлен потенциал 0 В согласно свойству 5.

При равенстве сопротивлений резисторов в цепи обратной связи получаем инвертирующий повторитель.

При соотношении сопротивлений резисторов R1 > R2 схема работает как инвертирующий аттенюатор, т.е. начинает «ослаблять» входной сигнал.

Ток смещения и смещение выхода

Входы реального ОУ потребляют небольшой ток, который называется током смещения
.  В англоязычных даташитах он называется Input Bias Current
. Если входные цепи ОУ построены на биполярных транзисторах, то такой ток смещения будет где-то  несколько десятков наноампер, в отличите от ОУ, где входные цепи построены на полевых транзисторах. Во входных цепях, построенных на полевых транзисторах, ток смещения оценивается десятыми долями пикоампер. Следовательно, ток смещения очень важен именно для ОУ, чьи входные цепи построены на биполярных транзисторах.

Почему же так важен ток смещения? Давайте еще раз рассмотрим схему

Даже если мы не подаем никакого сигнала на вход, то на выходе у нас все равно будет какое-то маленькое постоянное напряжение. Почему так происходит? Во всем как раз и виноват ток смещения. Он создает падение напряжения на резисторе обратной связи. В данном случае — это резистор R2. А как вы знаете, на большем сопротивлении падает большее напряжение. То есть если номинал сопротивления R2 будет очень большим, то на нем будет падать большое напряжение, которое как раз и пойдет на выход нашего ОУ.

Допустим, ток смещения равен 0,1 мкА, а резистор R2= 1 МОм, то какое падение напряжения будет в этом случае на резисторе? Вспоминаем закон Ома: I=U/R, отсюда U=IR= 0,1 В. То есть на выходе у нас уже будет постоянное напряжение 0,1 В! Подавая на вход такого усилителя полезный сигнал с током смещения в 0,1 мкА , на выходе этот сигнал будет усиливаться и суммироваться с постоянной составляющей в 0,1 В.  В нашем случае происходит смещение нулевого уровня. Наглядно — на рисунке ниже.

Схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием

Базовая схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием
выглядит вот так:

Здесь мы видим два резистора и сам ОУ
. На вход подаем сигнал, а с выхода уже снимаем усиленный сигнал. Как можно заметить, НЕинвертирующий вход ОУ заземлен. Как же работает схема? Здесь мы видим обратную связь. То есть с выхода сигнал подается обратно на вход через резистор R2. Наш усилитель
является инвертирующим, так как сигнал на выходе на 180 градусов сдвинут по фазе относительно входного сигнала. Значит, в узле, где соединяются два резистора и инвертирующий вход, выходной сигнал будет приходить со знаком «минус». Такая обратная связь называется о
трицательной о
братной с
вязью (ООС). Она уменьшает высокий коэффициент усиления ОУ до нужных нам значений.

В НЕинвертирующем усилителе обратная связь идет по напряжению
, а в инвертирующем усилителе — по току
.

Если вы читали статью про ОУ, то, наверное, помните, что если один из входов ОУ соединен с землей, то и другой вход имеем точно такой же потенциал. В данном случае НЕинвентирующий вход у нас соединен с землей, следовательно, на инвертирующем входе будет точно такой же потенциал, то есть 0 Вольт. Такой вход еще называют мнимой (виртуальной) землей
. Как говорит на Википедия, «мнимый — это фальшивый, поддельный, ложный».

Коэффициент усиления по напряжению любого усилителя выражается формулой

Итак, что получаем в итоге?

Входное напряжение из формулы выше

Но так как наш усилитель инвертирует входной сигнал, следовательно, на выходе у нас будет напряжение со знаком «минус», то есть -Uвых
.

В этом случае ток I ₂

будет выражаться формулой:

Отсюда находим коэффициент усиления

Так как входное сопротивление инвертирующего входа бесконечно велико, следовательно, ток будет протекать только через цепь R1—>R2. Два разных тока в одной ветви быть не может, поэтому получается, что

В итоге наша формула сокращается и получаем

Пример работы инвертирующего усилителя

Давайте посмотрим, как работает наш усилитель в программе-симуляторе электронных схем Proteus. Здесь мы собираем базовую схему с двухполярным питанием

В Proteus она будет выглядеть вот так:

Здесь мы взяли значение резисторов
R2=10 кОм и R1=1 кОм, следовательно, коэффициент усиления такой схемы будет равен -10. Знак «минус» в данном случае просто инвертирует усиленный сигнал, что мы и видим на осциллограмме ниже. Входной сигнал — это розовая осциллограмма, а выходной — это желтая осциллограмма. Выходной сигнал находится в противофазе относительно входного, то есть инвертирует
его. Отсюда и название «инвертирующий усилитель».

Насыщение выхода инвертирующего усилителя

Давайте представим себе такую ситуацию. У нас входное переменное напряжение амплитудой 1 В. Коэффициент усиления 50. По нашим расчетам на выходе мы должны получить сигнал
амплитудой 50 В. Но как мы получим 50 В, если питание нашего усилителя, допустим, +-15 В? Усиленный сигнал, амплитудой больше чем 15 В, мы получить не сможем. Хотя типичное падение напряжения во внутренних цепях реальных ОУ составляет около 0,5-1,5 В. То есть максимальный размах сигнала, который мы можем получить в данном случае на выходе будет 27-29 Вольт.

Хотя в настоящее время есть ОУ, которые все-так позволяют получать на выходе +-Uпит. Такое свойство некоторых ОУ называется Rail-to-Rail. В дословном переводе «от рельса до рельса» или «от шины до шины». Есть такие параметры, как Rail-to-Rail по входу (Rail-to-Rail input). Здесь на вход мы можем подавать сигналы вплоть до Uпит ОУ. Иногда в даташите оговаривается, с отрицательной или положительной шины питания можно подходить к этому параметру. Есть также есть Rail-to-Rail output. Здесь на выходе мы можем получить напряжение +-Uпит.  Если усиленный сигнал на выходе не вписывается в такой диапазон, то он будет срезаться. Такое свойство ОУ называется насыщением выхода
. То есть надо всегда помнить, что  если амплитуда сигнала будет превышать +-Uпит усилителя, то такой сигнал на выходе будет срезан по этому уровню.

Продемонстрируем это в симуляторе Proteus. Итак, давайте на вход подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 В, а коэффициент усиления сделаем 20, подобрав нужные резисторы. То есть по нашим расчетам мы должны получить синус с амплитудой в 20 Вольт. Смотрим осциллограмму

Подавали на вход синусоиду, а получили на выходе синусоиду с обрезанными верхушками и амплитудой в 14 В. Одна клеточка в данном случае — это 2 В. Как вы видите,сигнал, амплитудой более чем +-Uпит мы получить не сможем. Всегда помните об этом, особенно при конструировании радиоэлектронных устройств.

▍ Сравнение схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Обе схемы усилителей, инвертирующего и неинвертирующего, являются пропорциональными звеньями, осуществляющими операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Принципиальные различия между схемами заключаются в том, что:

1. Инвертирующий усилитель изменяет знак входного сигнала, а неинвертирующий усилитель знак входного сигнала не изменяет.
2. Коэффициент передачи инвертирующего усилителя может быть меньше единицы, а коэффициент передачи неинвертирующего усилителя меньше единицы быть не может.
3. Входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется входным сопротивлением применённого ОУ, а входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется сопротивлением резисторов в цепи обратной связи.

Исходя из вышесказанного, инвертирующие усилители целесообразно применять в схемах, требующих согласования с низкоомными источниками сигнала, а неинвертирующие – для согласования с высоомными источниками сигнала, а также на входах измерительных устройств для минимизации влияния на измеряемый сигнал.

Увеличение входного сопротивления инвертирующего усилителя резистором R1 требует пропорционального коэффициенту передачи k увеличения сопротивления резистора R2. Предотвратить чрезмерное увеличение сопротивления резистора R2 можно применением в цепи ООС усилителя Т-моста:

Коэффициент передачи инвертирующего усилителя с Т-мостом:

Входное сопротивление инвертирующего усилителя с Т-мостом приблизительно равно сопротивлению резистора R1.

При k = 10 и сопротивлении R1 = 500 кОм в схеме инвертирующего усилителя с делителем напряжения в цепи обратной связи сопротивление резистора R2 должно быть 5 МОм.

В случае инвертирующего усилителя с Т-мостом, при k = 10, сопротивлении R1 = 499 кОм и сопротивлении R4 = 100 Ом, сопротивление резисторов R2 и R3 будет равно 22.6 кОм. Расчёт цепи обратной связи в этом случае сложней, но применение Т-моста в цепи обратной связи при больших значениях сопротивления резистора R1 обеспечивает более стабильную работу усилителя.

Инвертирующий усилитель с однополярным питанием

В некоторых случаях нам даже иногда нужно переместить нулевой уровень на более высокий «пьедестал», чтобы мы могли полностью усиливать сигнал, если дело касается однополярного питания. Работать с однополярным питанием всегда проще и удобнее, чем с двухполярным. Поэтому, в этом случае надо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усиливать переменный сигнал. То есть добавить постоянную составляющую в сигнал. В этом случае схема примет чуть-чуть другой вид:

Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?

То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.

Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?

Как вы видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала вырезается полностью. Оно и понятно, так как напряжение питания у нас однополярное и проломить «пол» нулевого потенциала невозможно. Но можно сделать одну хитрость: поднять «уровень пола» и дать сигналу место для размаха.

В этом случае нам надо добавить U _см
, для того, чтобы поднять сигнал над уровнем «пола». Но не все так просто, дорогие друзья!

Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:

Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение U _вых
? Оно должно иметь значение половины U _пит
, чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.

В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть U _пит
должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим U _пит
= 30 В. Рассчитываем U _см
:

Проверяем симуляцию, все ок!

Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал — это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.

То есть получилось что-то типа вот этого:

Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр
из дифференцирующей цепи
, с помощью которого можно отсекать лишние частоты.

Способы борьбы с током смещения

В некоторых случаях током смещения можно пренебречь, если он не оказывает сильного влияния на ваши требования по сигналу. Но если все-таки вы разрабатываете какое-либо точное устройство, где выходной сигнал должен строго вписываться в рамки ТЗ, то в этом случае можно прибегнуть к таким способам:

1) Ставить в цепь обратной связи резистор малого номинала
.

На малом сопротивлении падает малое напряжение. Следовательно, на выходе уже будет меньшее постоянное напряжение. Стандартный диапазон резисторов от нескольких килоом и до 50 кОм.

2) Ввести в схему компенсирующий резистор

В этом случае он будет определяться по формуле:

Если все-таки выходной сигнал соответствует вашим ожиданиям и без R _К
, то лучше его не ставить, так как любой резистор вносит шумовые искажения в сигнал. Зачем лишний раз добавлять в схему шум?

3)
Использовать ОУ с входными цепями, построенными на полевых транзисторах
, либо подбирать ОУ с малыми токами смещения, благо сейчас технологии производства таких ОУ далеко шагнули вперед.

▍ Идеальный операционный усилитель

Принцип действия ОУ наиболее наглядно раскрывается на модели «идеального операционного усилителя». Модель обладает следующими свойствами:

1. Входы идеального ОУ не оказывают влияния на входные сигналы и имеют бесконечно большое сопротивление и бесконечно малую ёмкость.
2. Выход идеального ОУ имеет нулевое сопротивление и может обеспечить на нагрузке любое напряжение и любой ток.
3. Коэффициент передачи идеального ОУ стремится к бесконечности и не зависит от частоты входных сигналов.
4. Время задержки распространения сигнала в идеальном ОУ равно нулю, сдвиг фаз отсутствует.
5. Охваченный ООС идеальный ОУ стремится установить равное напряжение на входах.

Схема операционного усилителя без обратной связи представлена ниже:

Идеальный ОУ, включенный без обратной связи, работает следующим образом: напряжение на выходе равно разности напряжений на входах, умноженной на коэффициент передачи идеального ОУ без обратной связи:

Выразим разность напряжений на входах идеального ОУ через напряжение на выходе и коэффициент передачи идеального ОУ без обратной связи:

Поскольку, согласно свойству 3 модели идеального операционного усилителя коэффициент передачи G _о
стремится к бесконечности, получаем подтверждение свойства 5 модели и для идеального ОУ, неохваченного ООС:

Свойства инвертирующего усилителя

• выходной сигнал усилителя инвертирован по отношению ко входному сигналу
• входное сопротивление
  такого усилителя равняется сопротивлению R1
• выходное сопротивление
  очень мало

▍ Идеальный неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель, как и инвертирующий усилитель, является пропорциональным звеном. Он производит операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току. Цепь обратной связи состоит из делителя напряжения, собранного на резисторах R1 и R2. Сигнал с делителя напряжения подаётся на инвертирующий вход:

Из свойства 5 модели следует, что напряжение на инвертирующем входе ОУ U _вх-
равно напряжению на неинвертирующем входе U _вх+
. При этом U _вх+
равно входному напряжению U _вх
.

Согласно свойству 1 модели идеального операционного усилителя, входы ОУ ток не потребляют, следовательно, падение напряжения на резисторе R1 равно напряжению U _вх
, а падение напряжения на последовательно включенных резисторах делителя напряжения R1 и R2 равно напряжению U _вых
.

Получаем следующее соотношение:

Согласно формуле

, коэффициент передачи неинвертирующего усилителя:

Из формулы

видно, что коэффициент передачи идеального неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы.

Входной импеданс идеального неинвертирующего усилителя равен импедансу неинвертирующего входа, который согласно свойству 1 модели идеального усилителя на ОУ стремится к бесконечности.

Частным случаем схемы неинвертирующего усилителя на ОУ является схема повторителя, где сопротивление R1 = ∞, а R2 = 0:

Схема имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление, что позволяет согласовать, например, высокоомный источник сигнала с низкоомной нагрузкой.

▍ От автора

Данный цикл публикаций состоит из семи частей. Краткое содержание публикаций:

1. Предпосылки появления ОУ. « Идеальный» операционный усилитель. Инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель
   . < — Вы тут
2. Отличия «реального» ОУ от «идеального». Основные характеристики реального ОУ. Ограничения реального ОУ
   .
3. Суммирующий усилитель. Разностный усилитель. Измерительный усилитель. Интегрирующее звено. Дифференцирующее звено. Схема выборки-хранения
   .
4. Активный детектор. Активный пиковый детектор. Логарифмический усилитель. Активный ограничитель сигнала. Компаратор на ОУ. Источник опорного напряжения. Источник тока. Усилитель мощности
   .
5. Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры на ОУ. Генераторы сигналов на ОУ
   .
6. Однополярное включение ОУ. Входные помехи, «развязки» и защиты входных цепей, экранирование
   .
7. Операционные усилители на лампах
   .

1. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988
2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993
3. Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 5-изд. Мир, 1982
4. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Мир, 1991

Играй в наш скролл-шутер прямо в Telegram и получай призы! 🕹️🎁