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