Краткие теоретические сведения. Усилитель, охваченный последовательной ООС по выходному напряжению с коэффициентом передачи равным единице
Усилитель, охваченный последовательной ООС по выходному напряжению с коэффициентом передачи равным единице, называется повторителем напряжения (рисунок 5.1).
Рисунок 5.1 - Схема повторителя напряжения
Свойства такого усилителя подобны свойствам эмиттерного или истокового повторителя и для него выполняется условия
UВХ Н = UВЫХ
Rbx оос = Rвхо (1 + KUОУ )
Rвых оос = Rвыхо (1 + KUОУ)
Что хорошо согласуется со свойствами ОУ. Действительно, напряжение, приложенное между входами ОУ, передается на выход с коэффициентом усиления KUОУ, т.е. при любом выходном напряжении
ΔUВХ = ΔUВХ И - ΔUВХ Н = ΔUВЫХ/ KUОУ
в случае KUОУ → ∞ получим ΔUВХ → 0 и UВХ Н = UВЫХ.
Появление любого входного напряжения сразу приводит к появлению разности UВХ И - UВХ Н = UВЫХ - UВХ Н. Эта разность, передаваясь на выход ОУ, изменяет его выходное напряжение так, чтобы скомпенсировать возникшее отклонение и восстановить условия, указанные выше.
Учитывая, что собственное входное сопротивление ОУ стремится к бесконечности, а выходное сопротивление стремится к нулю, можно сказать, что рассмотренная схема подобно эмиттерному или истоковому повторителю находит практическое применение в качестве буферных или согласующих элементов.
Неинвертирующий усилитель. Схема повторителя, приведенная на рисунке 5.1, не инвертировала входной сигнал, но и не усиливала его. Это объясняется тем, что коэффициент передачи отрицательной обратной связи равен единице. Для получения коэффициента передачи усилителя, превышающего единицу в схеме необходимо обеспечить коэффициент обратной связи bОС < 1.
Для этого в цепь ООС вводят делитель напряжения так, как показано на рисунке 5.2. Эта схема представляет собой неинвертирующий усилитель.
Рисунок 5.2 - Схема неинвертирующего усилителя
Коэффициент передачи делителя в цепи ООС определяется из выражения
boc = R1/ (Roc - R1)
Тогда коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью
Kuooc = KUОУ /(1 + KUОУ boc)= KUОУ /[1 +R1 KUОУ /(Roc - R1)]
С учетом KUОУ →∞ окончательно получим
Kuooc =(Roc - R1)/ R1=1+ Roc / R1= 1/ boc
Из полученного выражения можно сделать следующие выводы:
- коэффициент передачи (усиления) неинвертирующего усилителя обратно пропорционален коэффициенту передачи цепи ООС;
- при любых сопротивлениях резисторов в цепи ООС коэффициент передачи неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы. Последний вывод непосредственно вытекает из свойств ОУ.
Для исследования неинвертирующего усилителя применяют схему, приведенную на рисунке 5.3.
![]() |
Рисунок 5.3 - Схема исследования неинвертирующего ОУ
Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ вычисляется по формуле:
Ky = 1+R1/R2
Постоянная составляющая выходного напряжения усилителя U0ВЫХ определяется произведением напряжения смещения UCM на коэффициент усиления схемы КУ:
U0ВЫХ = UCMКУ
Инвертирующий усилитель. В схемах повторителя и неинвертирующего усилителя сигнал UООС и UВХ подавались на различные входы ОУ. Для получения инвертирующего усилителя входной сигнал и сигнал обратной связи должны подаваться на один и тот же инвертирующий вход, т.е. цепь отрицательной обратной связи превращается из последовательной в параллельную. Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 5.4
Рисунок 5.4 - Схема инвертирующего усилителя
Неинвертирующий вход связывается с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R1, на инвертирующий вход ОУ.
Показатели схемы можно определить, воспользовавшись уравнением токов для узла 1. Если принять RВХОУ = ∞ и входной ток ОУ IBX = 0, то IBX=Ioc, откуда
(Ubx - Uo)/R1 = - (UBЫX – Uo)/Rос
При KUОУ → ∞ напряжение на входе ОУ Uo = UBЫX / KUОУ → 0, в связи с чем получим
Ubx /R1 = - UBЫX / Rос
Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с отрицательной параллельной обратной связью KU ИНВ = UBЫX / UBX определяется параметрами только пассивной части схемы
KU ИНВ = - Rос /R1
Выбор Rос = R1, когда KU ИНВ = -1, придает схеме на рисунке 5.4 свойство инвертирующего повторителя напряжения (инвертора сигнала).
Изменение коэффициента передачи усилителя до величины, меньшей единицы, достигается за счет действия входного делителя. Действительно, в предельном случае, когда Rос = 0, коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи bOC = 1 и собственный коэффициент передачи сигнала со входа ОУ равен единице. В этом случае выполняется условие UВХ ИНВ = UВЫХ. Однако коэффициент передачи делителя, обеспечивающего необходимый входной сигнал ОУ, снижается до нуля. Вследствие этого суммарный коэффициент передачи всего ОУ также снижается до нуля. Для инвертирующего усилителя фазы входного и выходного напряжений сдвинуты относительно друг друга на 1800.
Для исследования инвертирующего усилителя применяют схему, приведенную на рисунке 5.5.
![]() |
Коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ вычисляется по формуле:
КУ = - Rf (ОС) / R1
Знак "минус" в формуле означает, что выходное напряжение инвертирующего усилителя находится в противофазе с входным напряжением. Постоянная составляющая выходного напряжения U0ВЫХ усилителя зависит от коэффициента усиления КУ схемы и напряжения смещения UСM и вычисляется по формуле:
U0ВЫХ = UСM КУ