С применением микросхем операционных усилителей.
Для того, чтобы построить усилитель с заданным коэффициентом усиления, необходимо охватить операционный усилитель отрицательной обратной связью. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления сигнала. Цепь отрицательной обратной связи передает часть сигнала с выхода операционного усилителя на инвертирующий вход. При этом существует два различных варианта подключения сигнала к входу усилителя. Если сигнал подан на инвертирующий вход, получаем выходной сигнал в противофазе по отношению к входному. Такой усилитель получил название «инвертирующий усилитель». Если сигнал подан на неинвертирующий вход, получаем выходной сигнал в фазе по отношению к входному. Такой усилитель получил название «неинвертирующий усилитель» В зависимости от того, на какой из входов - на инвертирующий или на неинвертирующий поступает входной сигнал, характеристики усилителя будут различными.
Инвертирующий усилитель.
Схема инвертирующего усилителя изображена на рис.2.1. В этой схеме источник сигнала Uс подключен к инвертирующему входу, он является источником напряжения и в идеальном случае имеет нулевое внутреннее сопротивление. Обратная связь образована цепью, состоящей из резисторов и, которые составляют делитель напряжения.
Рис. 2.1. Схема инвертирующего усилителя.
Расчет коэффициента усиления в приближении идеального ОУ.Идеальным операционным усилителем принято условно считать такой О.У., у которого коэффициент усиления бесконечно велик , входной ток , разность напряжений между входами .
Тогда, с учетом этих условий можно записать следующие уравнения:
. (2.1)
. (2.2)
. (2.3)
Из уравнений (2.1, 2.2 и 2.3 ) получим:
,
отсюда следует, что коэффициент усиления схемы инвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью можно рассчитать по формуле:
. (2.4)
Из полученного выражения следует, что в приближении идеального операционного усилителя коэффициент усиления схемы не зависит от величины коэффициента усиления микросхемы 0У, а определяется только величинами резисторов в цепи отрицательной обратной связи.
Входное сопротивление схемы инвертирующего усилителя:
. (2.5)
Это достаточно очевидно, если учесть, что источник сигнала подключен к резистору , а второй конец резистора , подключенный к инвертирующему входу, фактически заземлен, так как .
Следует сделать ряд замечаний о практических критериях выбора резисторов в цепи отрицательной обратной связи. Цепь ООС подключена к выходу ОУ и нагружает его. Обычно операционные усилители допускают подключение к выходу нагрузки, величина сопротивления которой превышает некоторую минимально допустимую величину , порядка кОм. Конкретные значения приводятся в справочниках. Исходя из этого, сопротивление нагрузки и сопротивление резистора обратной связи должны быть, по крайней мере, существенно больше допустимой величины. На практике величину резистора обычно выбирают в диапазоне от 10 кОм до нескольких сотен кОм.
Уточненное соотношение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя при условии, что величина усиления ОУ не бесконечно велика, а конечна и равна , имеет следующий вид:
(2.6)
Эта формула более точна, чем формула (2.4) , причем формула (2.6) переходит в формулу (2.4), если пренебречь единицей в знаменателе. Это возможно, если выполняется условие , т.е. , где - коэффициент обратной связи в этой схеме.