Неинвертирующий усилитель на ОУ

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),

K_U = 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 К_U < 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 K_U неинвертирующего усилителя, получим K_U = 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/ R_i выполняют роль коэффициентов передачи для сиг-

 

налов U _{вx i} , их можно обозначить через K_Ui = R ₀/ R_i. Тогда, в общем виде,

U _выx = −Σ U _{вx i} K_Ui.

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 = R_i). При сложении «с весами» следует обеспечить соотношение значений сопротивлении R_i, обратное соотношению «весов» (т. е. К_Ui).