Операционный усилитель с отрицательной обратной связью (неинвертирующий усилитель)

Для того, что бы работа операционного усилителя была предсказуемой, применяется отрицательная обратная связь, которая устанавливается путём подачи части напряжения с выхода усилителя на его инвертирующий вход. Эта замкнутая цепь обратной связи существенно снижает усиление усилителя. При использовании отрицательной обратной связи общее усиление схемы значительно больше зависит от параметров цепи обратной связи, чем от параметров операционного усилителя. Если цепь обратной связи содержит компоненты с относительно стабильными параметрами, то изменения параметров операционного усилителя существенно не влияют на характеристики схемы. Передаточная характеристика схемы с операционным усилителем определяется математически передаточной функцией. Проектирование схем с заданной передаточной функцией с операционными усилителями относится к области радиоэлектроники. Передаточная функция является важным фактором в большинстве схем, использующих операционные усилители, например, в аналоговых компьютерах. Высокое входное сопротивление входов и низкое выходное сопротивление выхода является так же полезной особенностью операционных усилителей.

Например, если к неинвертирующему усилителю добавить отрицательную обратную связь (см. рисунок справа) с помощью делителя напряжения R_f, R_g, то это приведёт к снижению усиления схемы. Равновесие восстановится тогда, когда напряжение на выходе V_out станет достаточным для того, что бы изменить напряжение на инвертирующем входе до напряжения V_in. Коэффициент усиления всей схемы определяется по формуле 1 + R_f/R_g. Например, если напряжение V_in = 1 вольт, а сопротивления R_f и R_g одинаковые (R_f = R_g), то на выходе V_out будет присутствовать напряжение 2 вольта, величина этого напряжения как раз достаточная для того, что бы на инвертирующий вход V_- поступало напряжение 1 вольт. Так как резисторы R_f и R_g образуют цепь обратной связи, подключённой от выхода ко входу, то получается схема с замкнутой петлёй обратной связи. Общий коэффициент усиления схемы V_out / V_in называется коэффициентом усиления с замкнутой петлёй обратной связи A_CL. Так как обратная связь отрицательная, то в этом случае A_CL < A_OL.

Можно рассмотреть это с другой стороны, сделав два предположения:
Во-первых, когда операционный усилитель работает в линейном режиме, то разница напряжений между его неинвертирующим (+) и инвертирующим (-) выводами настолько мала, что ею можно пренебречь.
Во-вторых, будем считать входные сопротивления обоих входов (+) и (-) очень высокими (несколько мегаом у современных операционных усилителей).
Таким образом, когда схема, изображённая на рисунке справа, работает как неинвертирующий линейный усилитель, то напряжение V_in, появившееся на входах (+) и (-), приведёт к появлению тока i, протекающего через резистор R_g, величиной V_in/R_g. Согласно закону Кирхгофа, утверждающего, что сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из этого узла, и поскольку сопротивление входа (-) почти бесконечно, можно предположить, что почти весь ток i, протекающий через резистор R_f, создаёт напряжение на выходе, равное V_in + i * R_f. Подставляя слагаемые в формулу, можно легко определить усиление схемы этого типа.