Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис. 5.14. Определим ее коэффициент передачи. Запишем уравнение токов для точки a: I 1 + + I вx ОУ = I 2. В силу R вx ОУ ® ¥ I вx ОУ = 0, откуда I 1 = I 2.Выражая токи через сопротивления и падения напряжений на этих сопротивлениях, получим –f а / R 1 = (f а – U выx)/ R 2. В данной схеме f а ¹ 0; f а / R 2 + f а / R 1 = U выx/ R 2, т. е. f а (R 2 + R 1)/ R 1 = U выx, откуда f а = U выx R 1/(R 1 + R 2). Но, так как U вx ОУ = f а и в силу К ОУ ¹ ¥ U вx ОУ = U выx/ К ОУ = 0, то f а = f+.
С другой стороны, так как I вx ОУ = 0, то и ток через сопротивление R 3 не течет, падения напряжения на нем нет и f а = U вx. Отсюда окончательно получаем U вx = U выx R 1/(R 1 + R 2), или U выx = U вx(R 1 + R 2)/ R 1. Переписав в более удобном виде, имеем:
|
| Рис. 5.14 |
U выx= U вx(l + R 2/ R 1),
KU = l + R 2/ R 1.
Итак, схема рис. 5.14 является (при любом соотношении R 2/ R 1 кроме R 2 = 0) усилителем, причем неинвертирующим. В отличие от инвертирующего усилителя, у которого коэффициент передачи может быть любым (как больше, так и меньше единицы), у неинвертирующего усилителя КU < 1 обеспечить нельзя ни при каком соотношении сопротивлений на входе и в цепи обратной связи.
Повторитель на операционном усилителе
Если в неинвертирующем усилителе принять R 2 = 0 (т. е. соединить накоротко инвертирующий вход с выходом), а R 1 устремить к бесконечности (значит вовсе убрать R 1 из схемы), то получится схема рис. 5.15. Подставив значения R 2 и R 1 в формулу для KU неинвертирующего усилителя, получим KU = 1 + 0/¥ = 1.Это означает, что при прохождении через схему сигнал не меняется ни по амплитуде, ни по фазе. Схема рис. 5.15 является повторителем.
|
| Рис. 5.15 |
В 4.2 была рассмотрена схема с общим коллектором – транзисторный вариант повторителя. В транзисторных схемах основной функцией повторителя является согласование схем, имеющих высокоомное выходное сопротивление с низкоомными нагрузками (например, с кабелями). ОУ сами обладают низкоомными выходными сопротивлениями, поэтому при применении повторителей на операционных усилителях на передний план выступает иная задача – ослабления влияния изменений нагрузки на работу источников сигнала. Повторители на ОУ используют как буферные каскады, принимающие на себя вариации во входном сопротивлении нагрузки и обеспечивающие высокую стабильность параметров формирователей сигнала.
Инвертирующий сумматор
Рассмотренные в 5.2–5.4 схемы имели один вход. Однако в некоторых задачах необходимо осуществлять сложение двух и более сигналов. Для сложения сигналов используют электронные схемы, именуемые сумматорами.
|
| Рис. 5.16 |
Рассмотрим схему рис. 5.16. На инвертирующий вход ОУ через сопротивления R 1 – R 3 поступают сигналы U вx1 – U вx3. Для того чтобы определить значение U выx, воспользуемся допущениями относительно свойств ОУ, принятыми ранее: К ОУ ® ¥, R вx ОУ ® ¥.
Запишем для точки а уравнение токов согласно первому закону Кирхгофа:
I 0 + I вx ОУ = I 1 + I 2 + I 3.
Но, так как R вx ОУ ® ¥, то I вx ОУ = 0, откуда I 0 = I 1 + I 2 + I 3.
Выразим токи через сопротивления и падения напряжений на этих сопротивлениях:
(f а − U выx)/ R 0 = (U вx1 − f а)/ R 1 + (U вx2 − f а)/ R 2 + (U вx3 − f а)/ R 3.
В силу соединения неинвертирующего входа ОУ с землей (f+ = 0) и допущения о К ОУ ® ¥ f а» 0, откуда
− U выx/ R 0 = U вx1/ R 1 + U вx2/ R 2 + U вx3/ R 3,
т. е.
U выx = −(U вx1 R 0/ R 1 + U вx2 R 0/ R 2 + U вx3 R 0/ R 3).
Отношения R 0/ Ri выполняют роль коэффициентов передачи для сиг-
налов U вx i , их можно обозначить через KUi = R 0/ Ri. Тогда, в общем виде,
U выx = −Σ U вx i KUi.
Эта формула верна при любом количестве слагаемых.
Таким образом, выходной сигнал равен сумме входных с учетом масштабирующих коэффициентов и с обратным знаком. Данная схема называется инвертирующим сумматором. Отметим, что при сложении сигналов «без весов» следует все входные сопротивления брать одинаковыми (например, R 0 = Ri). При сложении «с весами» следует обеспечить соотношение значений сопротивлении Ri, обратное соотношению «весов» (т. е. КUi).
