Краткие теоретические сведения. Усилитель, охваченный последовательной ООС по выходному напряже­нию с коэффициентом передачи равным единице

Усилитель, охваченный последовательной ООС по выходному напряже­нию с коэффициентом передачи равным единице, называется повторителем на­пряжения (рисунок 5.1).

 

Рисунок 5.1 - Схема повторителя напряжения

Свойства такого усилителя подобны свойствам эмиттерного или истокового повторителя и для него выполняется условия

U_{ВХ Н} = U_ВЫХ

Rbx оос = Rвхо (1 + K_UОУ)

Rвых оос = Rвыхо (1 + K_UОУ)

Что хорошо согласуется со свойствами ОУ. Действительно, напряжение, приложенное между входами ОУ, передается на выход с коэффициентом усиле­ния K_UОУ, т.е. при любом выходном напряжении

ΔU _ВХ = ΔU _{ВХ И} - ΔU _{ВХ Н} = ΔU _ВЫХ/ K_UОУ

в случае K_UОУ → ∞ 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, указанные выше.

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

Неинвертирующий усилитель. Схема повторителя, приведенная на ри­сунке 5.1, не инвертировала входной сигнал, но и не усиливала его. Это объяс­няется тем, что коэффициент передачи отрицательной обратной связи равен единице. Для получения коэффициента передачи усилителя, превышающего единицу в схеме необходимо обеспечить коэффициент обратной связи b_ОС < 1.

Для этого в цепь ООС вводят делитель напряжения так, как показано на рисун­ке 5.2. Эта схема представляет собой неинвертирующий усилитель.

Рисунок 5.2 - Схема неинвертирующего усилителя

 

Коэффициент передачи делителя в цепи ООС определяется из выражения

b_oc = R1/ (Roc - R1)

Тогда коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью

Kuooc = K_UОУ /(1 + K_UОУ b_oc)= K_UОУ /[1 +R1 K_UОУ /(Roc - R1)]

С учетом K_UОУ →∞ окончательно получим

Kuooc =(Roc - R1)/ R1=1+ Roc / R1= 1/ b_oc

Из полученного выражения можно сделать следующие выводы:

- коэффициент передачи (усиления) неинвертирующего усилителя обратно пропорционален коэффициенту передачи цепи ООС;

- при любых сопротивлениях резисторов в цепи ООС коэффициент передачи неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы. По­следний вывод непосредственно вытекает из свойств ОУ.

Для исследования неинвертирующего усилителя применяют схему, приве­денную на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 - Схема исследования неинвертирующего ОУ

 

Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ вы­числяется по формуле:

K_y = 1+R1/R2

Постоянная составляющая выходного напряжения усилителя U_0ВЫХ опре­деляется произведением напряжения смещения U_CM на коэффициент усиления схемы К_У:

 

U_0ВЫХ = U_CMК_У

 

Инвертирующий усилитель. В схемах повторителя и неинвертирующего усилителя сигнал U_ООС и U_ВХ 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 отрицательной об­ратной связи превращается из последовательной в параллельную. Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 5.4

 

Рисунок 5.4 - Схема инвертирующего усилителя

Неинвертирующий вход связывается с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R1, на инвертирующий вход ОУ.

Показатели схемы можно определить, воспользовавшись уравнением токов для узла 1. Если принять R_ВХОУ = ∞ и входной ток ОУ I_BX = 0, то I_BX=I_oc, откуда

(Ubx - Uo)/R1 = - (U_BЫX – Uo)/Rос

 

При K_UОУ → ∞ напряжение на входе ОУ Uo = U_BЫX / K_UОУ → 0, в связи с чем получим

 

Ubx /R1 = - U_BЫX / Rос

 

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с отрицательной параллельной обратной связью K_{U ИНВ} = U_BЫX / U_BX оп­ределяется параметрами только пассивной части схемы

 

K_{U ИНВ} = - Rос /R1

 

Выбор Rос = R1, когда K_{U ИНВ} = -1, придает схеме на рисунке 5.4 свойство инвертирующего повторителя напряжения (инвертора сигнала).

Изменение коэффициента передачи усилителя до величины, меньшей единицы, достигается за счет действия входного делителя. Действительно, в предельном случае, когда Rос = 0, коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи b_OC = 1 и собственный коэффициент передачи сигнала со входа ОУ равен единице. В этом случае выполняется условие U_{ВХ ИНВ} = U_ВЫХ. Однако ко­эффициент передачи делителя, обеспечивающего необходимый входной сигнал ОУ, снижается до нуля. Вследствие этого суммарный коэффициент передачи всего ОУ также снижается до нуля. Для инвертирующего усилителя фазы вход­ного и выходного напряжений сдвинуты относительно друг друга на 180⁰.

Для исследования инвертирующего усилителя применяют схему, приве­денную на рисунке 5.5.

 

Рисунок 5.5 - Схема исследования инвертирующего ОУ

 

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ вычисляется по формуле:

 

К_У = - Rf (ОС) / R1

Знак "минус" в формуле означает, что выходное напряжение инверти­рующего усилителя находится в противофазе с входным напряжением. Посто­янная составляющая выходного напряжения U_0ВЫХ усилителя зависит от коэф­фициента усиления К_У схемы и напряжения смещения U_СM и вычисляется по формуле:

U_0ВЫХ = U_СM К_У