5.2. Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель (НУ) – это усилитель, обладающий стабильным коэффициентом усиления при нулевой разности фаз между входными и выходными сигналами.

В НУ (рис. 5.3) имеет место последовательная ООС по напряжению. При идеальном ОУ (K_д = К_{oc сф} = , R_ВХ =  и R_ВЫХ = 0) R_ВЫХ.F = 0 (связь отрицательная и по напряжению), R_ВХ.F =  (последовательная ООС).

, (5.6)

и согласно рис. 5.4,

(5.7)

Подставляя (5.7) в (5.6), получим

. (5.8)

К оэффициент усиления НУ не зависит от сопротивления источника сигнала R_С, так как входное сопротивление НУ равно , и ток через R_С не протекает, то падение напряжения на этом сопротивлении отсутствует и . При R₂ = 0, R₁ =  K_eF = 1. Значит, выходное напряжение полностью повторяет входное (только на более высоком уровне мощности). Отсюда и название – повторитель напряжения.

Е диничный коэффициент передачи, бесконечно большое входное сопротивление и нулевое выходное делает повторитель идеальным буферным каскадом (трансформатором полного сопротивления).

Метод резистивной балансировки этой схемы зависит от обстоятельств. Если R_С = 0, то симметрирующий резистор R_СМ включается последовательно с неинвертирующим входом (рис. 5.5).

При этом u_ВЫХ описывается выражением (5.5). Ненулевое, но известное и фиксированное внутреннее сопротивление R_C можно было бы сбалансировать только резисторами ОС, при условии, что R₁R₂/(R₁+R₂)=R_C. Однако при этом будет изменяться и коэффициент усиления схемы (5.8). Проще резисторы R₁ и R₂ выбрать исходя из требуемого коэффициента усиления, а токовую балансировку схемы обеспечить R_CM, включённым последовательно с инвертирующим входом (рис. 5.6). Для этой схемы

. (5.9)

Если имеет неопределённое и нестабильное значение, то лучше применить ОУ с входным каскадом (дифференциальным) на полевых транзисторах.

Д ля уменьшения потенциальной составляющей выходной статической погрешности u_ВЫХ нужно либо использовать соответствующие выводы ОУ, либо при их отсутствии, осуществлять балансировку схемы по входу (рис. 5.7). Настройка нуля в этой схеме немного снижает его коэффициент усиления.

5.3. Суммирующий усилитель

Суммирующий усилитель (сумматор) суммирует сигналы, подаваемые на вход.

Сумматор представляет собой расширение инвертора напряжения путём подключения к инвертирующему входу ОУ дополнительных источников напряжения u₁u_m через дополнительные суммирующие резисторы R₁R_m (рис. 5.8).

Токи u_K/R_K, протекающие через соответствующие суммирующие резисторы R_К, в суммирующей точке а складываются. Суммарный ток отводится через резистор ОС R₀ и преобразуется в выходное напряжение . (5.10)

Коэффициенты усиления K_k=-R₀/R_k каждого из m входных напряжений не зависят от величины коэффициентов усиления для других входов (от величины суммирующих сопротивлений); не зависят от того, подключены или нет другие входные источники и даже от того, заземлены отключённые входы или же они оставлены открытыми.

Это обусловлено тем, что все входы изолированы друг от друга потенциальным заземлением суммирующей точки.

Полагая, что все входы должны быть заземлены (гальвонически или на частоте сигнала), можно считать, что суммирующие резисторы действуют как параллельная цепь и условие токовой балансировки схемы принимает вид , где символ ′′ означает параллельное включение данных резисторов.

В ыясним влияние количества входов сумматора на величину входной статической погрешности (ВСП) (раздел 4.2.5 в [1]). Рассмотрим, например, первый вход. При увеличении количества входов коэффициент усиления сигнала по этому входу не изменяется, но отношение сигнал-помеха станет более низким, т.к. возрастает уровень ВСП до величины

. (5.11)

Если R₁ = R₂ =  = R_m = R, то из (5.11) следует

. (5.12)

Сравнивая (5.12) с (5.5) при m = 5 и , получим, что при пяти входах потенциально составляющая ВСП сумматора в 3 раза выше, чем в инверторе напряжения (m = 1). Если усиление с ОС высокое, т.е. , то при m = 5 отношение сигнал-помеха в сумматоре примерно в 5 раз ниже, чем в инвертирующем усилителе. Возрастание ВСП с увеличением входов объясняется увеличением проводимости между суммирующей точкой и землёй.