Повторитель напряжения

Схема повторителя напряжения, построенная на основе ОУ, приведена на рис. 8.1. Это усилитель, охваченный цепью последовательной ООС по выходному напряжению с коэффициентом передачи b_ос=1. т. е. 100%-ной ООС. Свойства такого усилителя подобны свойствам эмиттерного или истокового повторителя и чего выполняются условия

что хорошо согласуется со свойствами ОУ. Действительно, напряжение, приложенное между входами ОУ, передается на выход с коэффициентом усиления К_U0, т. е. при любом выходном напряжении Δu_вх = u_{вх и} — u_{вх н} = Δu_вых/К_U0. В случае К_U0→∞ получим Δu_вх →0 и u_{вх н} =u_вых.

Появление любого входного напряжения сразу приводит к появлению разности u_{вх и} — u_{вх н} = u_вых — u_{вх н}. Эта разность, передаваясь на выход ОУ, изменяет его выходное напряжение так, чтобы скомпенсировать возникшее отклонение и восстановить условия.

Рис. 8.1. Схема повторителя напряжения

Учитывая, что собственное входное сопротивление ОУ R_вх0 стремится к бесконечности, а выходное сопротивление R_вых0 стремится к нулю, можно сказать, что рассмотренная схема подобно эмиттерному или истоковому повторителю находит практическое применение в качестве буферных или согласующих элементов.

19(2) Неинвертирующий усилитель

Схема повторителя, приведенная на рис. 8.1, не инвертировала входной сигнал. Однако вследствие единичной ООС ее коэффициент передачи равнялся единице. Для получения коэффициента передачи, превышающего единицу в схеме на рис. 8.1, необходимо обеспечить b_ОС<1. Для этого в цепь ООС необходимо ввести делитель напряжения. Схема выполненного таким образом усилителя приведена на рис. 8.2. Коэффициент передачи делителя в цепи ООС определяется из выражения

Тогда коэффициент передачи усилителя (рис. 8.2) в силу будет равен

С учетом К_U0→∞ окончательно получим

Из полученного выражения можно сделать следующие выводы:

коэффициент передачи неинвертирующего усилителя обратно пропорционален коэффициенту передачи цепи ООС;

при любых сопротивлениях резисторов в цепи ООС коэффициент передачи неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы.

Последдний вывод непосредственно вытекает из свойств ОУ. Действительно, для уменьшения коэффициента передачи в рассматриваемой схеме необходимо увеличить коэффициент передачи цепи ООС. Пределом такого увеличения является b_ОС =1. Однако в этом случае схема на рис. 8.2 превращается в схему на рис. 8.1, т.е. в схему повторителя напряжения. Отсюда следует, что коэффициент передачи неинвертирующего усилителя не может быть менее 1.

Часто единицей в выражении (8.3) можно пренебречь и при определении коэффициента передачи использовать упрощенное выражение

В рассмотренном усилителе фазы входного и выходного напряжений совпадают.

Рис. 8.2. Схема неинвертирующего усилителя

ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

В схемах повторителя и неинвертирующего усилителя сигнал ООС u_оос и входной сигнал и_вхн 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 ООС превращается из последовательной в параллельную.

Рис. 8.3. Схема инвертирующего усилителя

При этом неинвертирующий вход, как правило, соединяют с общей шиной. Типовая схема инвертирую­щего усилителя на ОУ приведена на рис. 8.3.

Для данного усилителя в случае нулевого выходного сопротивления источника входного сигнала коэффициент передачи цепи ООС определяется также как и в предыдущем случае. Однако в отличие от неинвертирующего усилителя входной сигнал попадает на вход ОУ не непосредственно, а через делитель напряжения, образованный этими же резисторами. Предполагая, что выходное со­противление ОУ равно нулю, для коэффициента передачи усилителя (рис. 8.3) можно записать

Полагая (как и в предыдущем случае) К_U0→∞ , получим

Из выражения (8.5) следует, что в отличие от неиивертирующего усилителя выбором резисторов цепи ООС коэффициент передачи инвертирующего усилителя может быть уменьшен до сколь угодно малой величины. Сделанный вывод не означает, что собственно напряжение, присутствующее на входе ОУ, передается на его выход с коэффициентом передачи, меньшим единицы. Это противо­речило бы свойствам ОУ.

Изменение коэффициента передачи усилителя до величины, меньшей единицы, достигается за счет действия входного делителя. Действительно, в предельном случае, когда Z_оc = 0, коэффи­циент передачи цепи ООС b_ОС =1 и собственный коэффициент передачи сигнала со входа ОУ равен единице. В этом случае выпол­няется условие u_{вх и} =u_вых. Однако коэффициент передачи делителя, обеспечивающего необходимый входной сигнал ОУ, снижается до нуля (К_дел = 0). Вследствие этого суммарный коэффициент передачи всего ОУ также снижается до нуля. Для инвертирующего усиилителя фазы входного и выходного напряжений сдвинуты от­носительно друг друга на 180°.

При активном характере сопротивлений

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя вследствие того, что цепь ООС по-прежнему выполнена по напряжению, мало.

Входное сопротивление усилителя практически равно сопротивлению резистора Z₁, так как непосредственно входное сопротивление усилителя R_{вх ООС} стремится к нулю. Данный результат объясняется действием цепи параллельной ООС, котораяснижает входное сопротивление усилителя.

Из сказанного следует, что при любом входном токе напряже­ние на инвертирующем входе ОУ будет равно нулю. В рассматриваемой схеме напряжение на неинвертирующем входе также равно нулю. Следовательно, при любых входных сигналах разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами стремится к нулю. Это подтверждает сделанный ранее вывод 0 том, что ОУ чувствителен только к разности входных напряженно которая при больших значениях К_Uо исчезающе мала.