1.1. Инвертирующий усилитель

На рисунке 3 приведена схема простейшего инвертирующего усилителя. Неинвертирующий вход заземлен, т.е. находится под нулевым напряжением. Входной сигнал через резистор R1 подается на инвертирующий вход. Операционный усилитель охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению через резистор R_ОС. Найдем выражение для коэффициента усиления схемы.

Рисунок 3. Инвертирующий усилитель

В соответствии с выражением (1.2)

U_A = U_B = 0 (1.3)

Следовательно, потенциал точки А в первом приближении, равен потенциалу общей шины – «земли». Поэтому эта точка получила наименование «виртуальной земли».

Используя полученное значение, находим для токов, входящих в Если R_вх  R_ОС (в идеальном ОУ R_вх  ), то

. (1.4)

; (1.5)

. (1.6)

Приравнивая их и учитывая, что К = U_вых / U_вх,, получаем для коэффициента усиления инвертирующего усилителя

, (1.8)

где знак минус указывает на изменение фазы выходного сигнала по сравнению с фазой входного на 180⁰ (выходное напряжение находится в противофазе, инверсно, с входным напряжением). В связи с этим, если входной сигнал нарастает, то усиленный выходной – спадает, и наоборот, спадающему входному сигналу соответствует нарастающий выходной. Подобное явление уже нами встречалось при рассмотрении усилителей ОЭ, ОБ и ОИ.

Из (1.8) видно, что инвертирующий усилитель может иметь любой коэффициент усиления как больший единицы, так и меньший.

Параллельная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное (Z_{вых ООС} = Z_выхОУ / (1 +  K),)) и выходное сопротивления усилителя. Величину последнего, в первом приближении, можно определить, используя понятие «виртуальная земля». Так как напряжение в точке А равно нулю, то для источника входного сигнала «кажется», что между его входами включен резистор R1, т.е.

R_{вх и ус} = R1. (1.9)

Как показано в предыдущем разделе, введение ООС расширяет диапазон усиливаемых частот. На рисунке приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя, спроектированного на основе этого ОУ.

Рисунок 4. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя

Большие коэффициенты усиления исходного ОУ соответствуют весьма узкому диапазону частот – от нуля до примерно нескольких десятков/сотен герц.

Равномерный коэффициент усиления инвертирующего усилителя простирается до верхней частоты, равной:

. (1.10)

1.2. Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рисунке 8.4.

Рисунок 5. Неинвертирующий усилитель

Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ через делитель R2, R3. Напряжение на прямом входе

где К_дел – коэффициент деления делителя R2, R3.

Инвертирующий вход ОУ заземлен через резистор R1. Напряжение на инвертирующем входе

Приравнивая эти напряжения (на основании (1.2)), получаем

(2.1)

В неинвертирующем усилителе выходное напряжение совпадает по фазе с входным. Из (2.1) следует, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя может быть меньше 1 только при использовании делителя с К_дел  1. При отсутствии входного делителя (R2 = 0; R3  ) коэффициент усиления всегда больше единицы.

Последовательная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное и увеличивает входное сопротивление всего усилителя. Выходное сопротивление инвертирующего усилителя из-за отрицательной обратной связи по напряжению можно считать близким к нулю аналогично инвертирующему усилителю (см. 8.1).

Входное сопротивление ОУ из-за последовательной отрицательной обратной связи увеличивается доже по сравнению с входным сопротивлением ОУ дифференциальному сигналу. Его величина определяется сопротивлением синфазному сигналу.

При наличии входного делителя

R_{вх н и ус} = R₂ + R₃. (2.2)

Амплитудно-частотная характеристика неинвертирующего усилителя подобна АЧХ инвертирующего усилителя (см. рисунок 4).