Книга: Схемотехника аналоговых электронных устройств

6.3. Инвертирующий усилитель

6.3. Инвертирующий усилитель

Наиболее часто ОУ используется в инвертирующих и неинвертирующих усилителях. Упрощенная принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.7.

Рисунок 6.7. Инвертирующий усилитель на ОУ

Резистор R₁ представляет собой внутреннее сопротивление источника сигнала E_г, посредством R_ос ОУ охвачен ?ООСН.

При идеальном ОУ разность напряжений на входных зажимах стремиться к нулю, а поскольку неинвертирующий вход соединен с общей шиной через резистор R₂, то потенциал в точке a тоже должен быть нулевым ("виртуальный нуль", "кажущаяся земля"). В результате можем записать: I_г=I_ос, т.е. E_г/R₁=–U_вых/R_ос. Отсюда получаем:

K_U инв = U_вых/E_г = –R_ос/R₁,

т.е. при идеальном ОУ K_U инв определяется отношением величин внешних резисторов и не зависит от самого ОУ.

Для реального ОУ необходимо учитывать его входной ток I_вх, т.е. I_г=I_ос+I_вх или (E_г–U_вх)/R₁=(U_вх–U_вых)/R_ос+U_вх/U_вхОУ, где U_вх — напряжение сигнала на инвертирующем входе ОУ, т.е. в точке a. Тогда для реального ОУ получаем:

Нетрудно показать, что при глубине ООС более 10, т.е. K_u ОУ/K_U инв=F>10, погрешность расчета K_U инв для случая идеального ОУ не превышает 10%, что вполне достаточно для большинства практических случаев.

Номиналы резисторов в устройствах на ОУ не должны превышать единиц мегом, в противном случае возможна нестабильная работа усилителя из-за токов утечки, входных токов ОУ и т.п. Если в результате расчета величина R_ос превысит предельное рекомендуемое значение, то целесообразно использовать Т-образную цепочку ООС, которая при умеренных номиналах резисторов позволяет выполнить функцию эквивалента высокоомного R_ос (рисунок 6.7б) . В этом случае можно записать:

На практике часто полагают, что R_ос1=R_ос2>>R_ос3, а величина R₁ обычно задана, поэтому R_ос3 определяется достаточно просто.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ R_вх инв имеет относительно небольшое значение, определяемое параллельной ООС:

R_вх инв = R₁ +(R_ос/K_u ОУ + 1)?R_вхОУ? R₁,

т.е. при больших K_u ОУ входное сопротивление определяется величиной R₁.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя R_{вых инв} в реальном ОУ отлично от нуля и определяется как величиной R_вых ОУ, так и глубиной ООС F. При F>10 можно записать:

R_{вых инв} = R_вых ОУ/F = R_вых ОУ/K_U инв/K_u ОУ.

С помощью ЛАЧХ ОУ можно представить частотный диапазон инвертирующего усилителя (см. рисунок 6.6), причем

f_вОС = f_T/K_U инв.

В пределе можно получить K_U инв=1, т.е. получить инвертирующий повторитель. В этом случае получаем минимальное выходное сопротивление усилителя на ОУ:

R_{вых пов} = R_вых ОУ/K_u ОУ.

В усилителе на реальном ОУ на выходе усилителя при U_вх=0 всегда будет присутствовать напряжение ошибки U_ош, порождаемое U_см и ?I_вх. С целью снижения U_ош стремятся выровнять эквиваленты резисторов, подключенных к входам ОУ, т.е. взять R₂=R₁?R_ос (см. рисунок 6.7а). При выполнении этого условия для K_U инв>10 можно записать:

U_ош ? U_смK_U инв + ?I_вхR_ос.

Уменьшение U_ош возможно путем подачи дополнительного смещения на неинвертирующий вход (с помощью дополнительного делителя) и уменьшения номиналов применяемых резисторов.

На основе рассмотренного инвертирующего УПТ возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений M_н (см. подраздел 2.5).

Оглавление книги