Неинвертирующий усилитель на ОУ

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис. 5.14. Определим ее коэффициент передачи. Запишем уравнение токов для точки a: I₁ + + I_{вx ОУ} = I₂. В силу R_{вx ОУ} ® ¥ I_{вx ОУ} = 0, откуда I₁ = I₂.Выражая токи через сопротивления и падения напряжений на этих сопротивлениях, получим –f_а /R₁ = (f_а – U_выx)/R₂. В данной схеме f_а ¹ 0; f_а/R₂ + f_а/R₁ = U_выx/R₂, т. е. f_а(R₂ + R₁)/R₁ = U_выx, откуда f_а = U_выxR₁/(R₁ + R₂). Но, так как U_{вx ОУ} = f_а и в силу К_ОУ ¹ ¥ U_{вx ОУ} = U_выx/К_ОУ = 0, то f_а = f⁺.

С другой стороны, так как I_{вx ОУ} = 0, то и ток через сопротивление R₃ не течет, падения напряжения на нем нет и f_а = U_вx. Отсюда окончательно получаем U_вx = U_выxR₁/(R₁ + R₂), или U_выx = U_вx(R₁ + R₂)/R₁. Переписав в более удобном виде, имеем:

Рис. 5.14

U_выx= U_вx(l + R₂/R₁),

K_U = l + R₂/R₁.

Итак, схема рис. 5.14 является (при любом соотношении R₂/R₁ кроме R₂ = 0) усилителем, причем неинвертирующим. В отличие от инвертирующего усилителя, у которого коэффициент передачи может быть любым (как больше, так и меньше единицы), у неинвертирующего усилителя К_U < 1 обеспечить нельзя ни при каком соотношении сопротивлений на входе и в цепи обратной связи.

Повторитель на операционном усилителе

Если в неинвертирующем усилителе принять R₂ = 0 (т. е. соединить накоротко инвертирующий вход с выходом), а R₁ устремить к бесконечности (значит вовсе убрать R₁ из схемы), то получится схема рис. 5.15. Подставив значения R₂ и R₁ в формулу для K_U неинвертирующего усилителя, получим K_U = 1 + 0/¥ = 1.Это означает, что при прохождении через схему сигнал не меняется ни по амплитуде, ни по фазе. Схема рис. 5.15 является повторителем.

Рис. 5.15

В 4.2 была рассмотрена схема с общим коллектором – транзисторный вариант повторителя. В транзисторных схемах основной функцией повторителя является согласование схем, имеющих высокоомное выходное сопротивление с низкоомными нагрузками (например, с кабелями). ОУ сами обладают низкоомными выходными сопротивлениями, поэтому при применении повторителей на операционных усилителях на передний план выступает иная задача – ослабления влияния изменений нагрузки на работу источников сигнала. Повторители на ОУ используют как буферные каскады, принимающие на себя вариации во входном сопротивлении нагрузки и обеспечивающие высокую стабильность параметров формирователей сигнала.

Инвертирующий сумматор

Рассмотренные в 5.2–5.4 схемы имели один вход. Однако в некоторых задачах необходимо осуществлять сложение двух и более сигналов. Для сложения сигналов используют электронные схемы, именуемые сумматорами.

Рис. 5.16

Рассмотрим схему рис. 5.16. На инвертирующий вход ОУ через сопротивления R₁ – R₃ поступают сигналы U_вx1 – U_вx3. Для того чтобы определить значение U_выx, воспользуемся допущениями относительно свойств ОУ, принятыми ранее: К_ОУ ® ¥, R_{вx ОУ} ® ¥.

Запишем для точки а уравнение токов согласно первому закону Кирхгофа:

I₀ + I_{вx ОУ} = I₁ + I₂ + I₃.

Но, так как R_{вx ОУ} ® ¥, то I_{вx ОУ} = 0, откуда I₀ = I₁ + I₂ + I₃.

Выразим токи через сопротивления и падения напряжений на этих сопротивлениях:

(f_а − U_выx)/R₀ = (U_вx1 − f_а)/R₁ + (U_вx2 − f_а)/R₂ + (U_вx3 − f_а)/R₃.

В силу соединения неинвертирующего входа ОУ с землей (f^+ = 0) и допущения о К_ОУ ® ¥ f_а » 0, откуда

−U_выx/R₀ = U_вx1/R₁ + U_вx2/R₂ + U_вx3/R₃,

т. е.

U_выx = −(U_вx1R₀/R₁ + U_вx2R₀/R₂ + U_вx3R₀/R₃).

Отношения R₀/R_i выполняют роль коэффициентов передачи для сиг-

налов U_вxi, их можно обозначить через K_Ui = R₀/R_i. Тогда, в общем виде,

U_выx = −Σ U_{вx i} K_Ui.

Эта формула верна при любом количестве слагаемых.

Таким образом, выходной сигнал равен сумме входных с учетом масштабирующих коэффициентов и с обратным знаком. Данная схема называется инвертирующим сумматором. Отметим, что при сложении сигналов «без весов» следует все входные сопротивления брать одинаковыми (например, R₀ = R_i). При сложении «с весами» следует обеспечить соотношение значений сопротивлении R_i, обратное соотношению «весов» (т. е. К_Ui).