Вопрос 61. Схема включения операционного усилителя в инвертирующем режиме, особенности работы.

Операционный усилитель (ОУ) является дифференциальным усилителем постоянного тока с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим) и одним выходом. Кроме них ОУ имеет выводы питания: положительного и отрицательного. Эти пять выводов имеются в почти любом ОУ и принципиально необходимы для его работы.

Существуют ОУ и не имеющие одного из входов. Либо неинвертирующего (инверторы), либо инвертирующего (повторители, буферы).

ОУ может иметь и дополни­тельные выводы для балансировки и частотной коррекции. Термин «дифференциальный» означает, что на выходной потенциал ОУ влияет исключительно разность потенциалов между его входами, независимо от их абсолютного значения и полярности.

Термин «постоянного тока» означает, что усиливает ОУ входные сигналы начиная от 0 Гц. Верхний диапазон частот (частотный диапазон), усиливаемых ОУ сигналов зависит от многих причин, таких, как частотные характеристики транзисторов, из которых он состоит, коэффициента усиления схемы, построенной с применением ОУ и т.п.

Входы ОУ имеют очень большое входное сопротивление, равное десяткам/сотням МегаОм, а то и ГигаОм (в старых моделях, например К140УД1 30...50 кОм).

Столь большое сопротивление входов означает, что на входной сигнал они практически не влияют.

Поэтому с большой степенью приближения можно считать, что ток во входы ОУ не течет.

Изображают ОУ на принципиальных схемах - инвертирующий вход - символом «минус», а неинвер­тирующий - символом «плюс» внутри треугольника. Они указывают, как реагирует потенциал выхода на потенциалы, подаваемые на входы.

ОУ почти всегда используются в схемах с отрицательной обратной связью (ООС).

Обратной связью называется эффект подачи части выходного напряжения усилителя на его вход, где оно алгебраически (с учетом знака) суммируется с входным напряжением. В зависимости от того, на какой вход ОУ, инвертирующий или неинвертирующий, подается ОС, различают отрицательную обратную связь (ООС), когда часть выходного сигнала подается на инвертирующий вход (рис.2, А) или положительную обратную связь (ПОС), когда часть выходного сигнала подается, соответственно, на неинвертирующий вход (рис.2, Б).

Рис. 2. Принцип формирования обратной связи (ОС)

Схемы включения операционного усилителя с использованием ООС.

Инвертирующее - сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий подключается непосредственно к опорному потенциалу (не используется).

Напряжение на выходе ОУ, охваченном ООС, стремится к тому, чтобы потенциал на инвертирующем входе уравнялся с потенциалом на неинвертирующем входе.

Разберем схему, приведенную, при этом примем, что напряжения питания двуполярные, равные друг другу по величине (скажем, ± 15 В), со средней точкой (общая шина или «земля»). Кроме того, анализ будет проводить по постоянному току, т.к. изменяющийся переменный сигнал в каждый момент времени тоже можно представить как выборку значений постоянного тока. Обратная связь через Rоос заведена с выхода ОУ на его инвертирующий вход.

При инвертирующем включении потенциал на не инвертирующем входе равен нулю, т.к. он подключен к средней точке («земле»). Входной сигнал подан на левый вывод входного резистора R_вх. Допустим, что сопротивления R_оос и R_вх равны друг другу.

Если на вход подать напряжение отрицательной полярности, на выходе ОУ будет напряжение положительной полярности, стрелки, показывающие протекание тока через R_оос и R_вх будут направлены в противоположную сторону.

При равенстве номиналов R_оос и R_вх, напряжение на выходе ОУ будет равно напряжению на его входе по величине, но инверсное по полярности - инвертирующий повторитель.

Увеличивая номинал R_оос получим инвертирующий усилитель, выходное напряжение которого больше входного (иными словами, коэффициент усиления К_у) во столько раз, во сколько раз сопротивление R_оос больше, чем сопротивление R_вх.

К_у = - U_вых / U_вх = - R_оос / R_вх.