Инвертирующий усилитель постоянного тока

В инвертирующем УПТ (рис.11) реализована отрицательная обратная связь (ООС) по напряжению с параллельным способом введения. Это положение в значительной степени и определяет свойства схемы.

Рис.11. Инвертирующий УПТ

Рассмотрим работу схемы. Под действием входного напряжения в цепи резистора возникает ток

который в точке а распределяется на два тока: - входной ток операционного усилителя

и - ток в цепи обратной связи

где .

Выходное напряжение зависит от напряжения между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ

,

где - коэффициент усилителя ОУ для дифференциального сигнала.

Входное напряжение можно найти как

,

а также

Решая совместно приведенные выше уравнения, получим, что коэффициент усиления усилителя с обратной связью

В первом приближении, приняв , найдём, что для схемы, построенной на идеальном ОУ, справедливы следующие выражения:

К основным параметрам, характеризующим свойства усилителей, кроме коэффициента усиления с обратной связью , относятся входное сопротивление с обратной связью и выходное сопротивление с обратной связью

,

где - коэффициент обратной связи.

Частотные параметры УПТ определяют по амплитудно-частотным характеристикам (рис. 12), которые строятся в логарифмическом масштабе в соответствии с уравнением

где - коэффициент усиления при нулевой частоте ,

- частота верхнего среза, т.е. такая частота, при которой коэффициент усиления уменьшится в раз от своего максимального значения

Рис.12. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика УПТ

Усилитель с емкостной связью

В некоторых случаях усиливаемый сигнал содержит переменную и постоянную составляющие, причём информативной является только переменная составляющая на фоне значительной постоянной. Усилить переменную составляющую с помощью УПТ невозможно, т.к. усилитель окажется в насыщении под действием постоянной составляющей сигнала. Для устранения постоянной составляющей между источником сигнала и входом усилителя включают разделительный конденсатор. Широкое применение находит инвертирующий усилитель с емкостной связью (рис.13).

Коэффициент усиления с обратной связью будет носить комплексный характер и в области низких частот определяться выражением

Рис.13. Инвертирующий усилитель с ёмкостной связью

Модуль зависит от частоты и постоянной времени входной цепи в области низких частот

где - коэффициент усиления в области средних частот.

Эту зависимость называют амплитудно-частотной характеристикой, её строят в логарифмическом масштабе (рис.14) для области низких частот по уравнению

где - частота нижнего среза.

Рис. 14. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика

инвертирующего усилителя с ёмкостной связью

Для удобства построения амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ) аппроксимируют двумя прямыми:

первая (рис. 14) - участок 1, при

вторая - участок 2, при

Точке пересечения этих прямых будет соответствовать частота .

В области высоких частот зависит от частотных свойств операционного усилителя и определяется выражением

где - частота верхнего среза,

- частота единичного усиления.

При выражение упрощается и принимает вид

.

Этому выражению соответствует участок 3 на рис. 14.

К основным частотным параметрам для широкополосных усилителей относятся коэффициенты частотных искажений в области низких частот :

.

и коэффициенты частотных искажений в области высоких :

.

Входное и выходное сопротивления усилителя с ёмкостной связью определяется в области средних частот по выражениям справедливым для УПТ.

Рис. 15. Эквивалентная схема по постоянному току усилителя

с ёмкостной связью

Постоянное напряжение на выходе ОУ ограничивает динамический диапазон усиливаемого сигнала. Напряжение сдвига определим из эквивалентной схемы (рис. 15)

Для уменьшения обычно выбирают , тогда при

.

В том случае, если более , то вводят схему коррекции нуля ОУ, при меньших значениях можно сэкономить на подстроечном резисторе.

Приложение