Усилители на операционном усилителе

Инвертирующий усилитель

На рис. 10.63 приведена схема инвертирующего усилителя на ОУ. Входное напряжение zi_BX подается на инвертирующий вход ОУ через резистор R1, поэтому усилитель называется инвертирующим. Неинвертирующий вход соединен с общим проводом. С помощью резистора R2 в усилителе осуществляется ООС. Напряжение ООС выделяется на резисторе R1 и уравновешивается входным напряжением и_вх. При этом коэффициент ООС определяется по формуле (3 = R1/R2.

Рис. 10.63. Схема инвертирующего усилителя на ОУ.

На основании свойств идеального ОУ и законов Кирхгофа выведем выражение для коэффициента усиления по напряжению инвертирующего усилителя на ОУ.

Для схемы рис. 10.63 потенциал узла А относительно общего провода равен нулю, т. е. ф_А = 0, так как напряжение между входами идеального ОУ также равно нулю — п_д = 0. При этом учитывалось, что потенциал общего провода равен нулю. Схема распалась на два независимых контура — входной и выходной.

Составляем два уравнения по второму закону Кирхгофа для входного и выходного контуров и одно уравнение по первому закону Кирхгофа для узла А. В результате получаем следующую систему из трех уравнений:

В третьем уравнении i_BXl = 0, так как у идеального ОУ R_BX = оо. В результате решения системы (10.21) имеем:

Таким образом, если считать ОУ идеальным, то коэффициент усиления усилителя Ку не зависит от параметров самого ОУ, а зависит только от параметров внешних цепей, т. е. от R1 и R2. Погрешность в расчете К_и тем меньше, чем ближе параметры реального ОУ к параметрам идеального. В формуле (10.22) знак минус показывает, что выходное п_вых и входное п_вх напряжения находятся в противофазе, т. е. усилитель является инвертирующим. Если входной сигнал задается реальным источником ЭДС, то при определении К_и необходимо учитывать внутреннее сопротивление источника, которое складывается с сопротивлением входного резистора R1.

Необходимо также отметить, что при подключении к выходу усилителя сопротивления нагрузки R_H, выходной ток ?_вых ОУ определяется выражением.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на идеальном ОУ определяется сопротивлением резистора R1, т. е. R_BX = R1. Выходное сопротивление R_BbIX = 0.

На рис. 10.64 приведена передаточная характеристика инвертирующего усилителя на ОУ. Вид передаточной характеристики обусловлен свойством инвертирующего входа. Характеристика 1 поясняет работу усилителя в режиме линейного усиления.

Рис. 10.64. Передаточная характеристика инвертирующего усилителя на ОУ:

1 — режим линейного усиления; 2 — К_и= — оо; 3 — К_и=0

По этой характеристике можно определить коэффициент усиления К_и усилителя по формуле.

TT.jj gjjix.

где К_т =—коэффициент масштаба, равный отношению МаСШТа;

^l/ вх бов по осям соответственно выходного т_ивых и входного т_ивх напряжений.

Характеристики 2 и 3 характеризуют два предельных значения коэффициента усиления К_и соответственно для К_и = - оо (R2 = оо) и К_и = = 0(К2 = 0).

На рис. 10.65 приведены временные диаграммы входного и_вх и выходного п_вых напряжений, поясняющие работу инвертирующего усилителя при усилении синусоидального напряжения.

При подаче на вход усилителя напряжения и_вх1 усилитель работает в режиме линейного усиления и на выходе формируется синусоидальное напряжение п_вых1, находящееся в противофазе с входным напряжением п_вх1 и с амплитудой в К_и большей амплитуды и_вх1. При увеличении входного напряжения и_вх наступит момент времени, когда амплитуда выходного напряжения п_вых начнет ограничиваться уровнями напряжений источников питания +U_n и — U_n. При этом в кривой выходного напряжения п_вых появляются нелинейные искажения. Этот случай проиллюстрирован на рис. 10.65 временными диаграммами напряжений ^ивх2 ^{и и}вых2- Работа усилителя в таком режиме недопустима, так как влечет за собой искажения формы усиливаемого сигнала.

Таким образом, выходное напряжение н_вых инвертирующего усилителя на ОУ находится в противофазе входному и_вх, а коэффициент усиления по напряжению К_и = —R2/R1.

Рис. 10.65. Временные диаграммы работы инвертирующего усилителя на ОУ.