Инвертирующий усилитель

Схемы с ОУ, охваченные обратной связью

При высоком значении коэффициента передачи достаточно трудно управлять усилителем и удерживать его от насыщения. С помощью определенных внешних цепей часть выходного сигнала можно направить обратно на вход, то есть орга­низовать обратную связь. Применяя отрицательную обратную связь, когда сиг­нал с выхода усилителя приходит на вход в противофазе с входным сигналом, можно сделать усилитель более стабильным. Эта конфигурация называется уси­лителем, охваченным обратной связью (или, что тоже, с замкнутой цепью обрат­ной связи). Применение цепи обратной связи приводит к снижению коэффици­ента передачи, но сравнению с усилителем, не охваченным обратной связью (А), однако схема становится стабильной. Обычно схемы включения ОУ с замкнутой цепью обратной связи имеют коэффициент передачи от 10 до 1000, то есть мень­ше, чем коэффициент передачи ОУ, не охваченного обратной связью, более чем в тысячу раз. Если обратная связь положительна, усилитель переходит в режим генерирования колебаний, то есть становится автогенератором.

Схема включения ОУ, показанная на рисунке 3.2, применяется на практике чаще все­го. Цепь обратной связи в этом случае представляет собой единственный резис­тор R_ОС , который служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. Тот факт, что резистор соединен с инвертирующим входом, указывает на отрица­тельный характер обратной связи. Входное напряжение (U₁) вызывает протека­ние входного тока i₁ через резистор R₁. Обратите внимание на то, что входное на­пряжение ОУ (ΔU) имеет дифференциальный характер, так как фактически это разность напряжений на неивертирующем (+) и инвертирующем (-) входах усилителя. Положительный вход ОУ чаще всего заземляют.

Применяя правила Кирхгофа, для схемы рисунок 3.2 можно составить следующие уравнения:

U₁ = i₁R₁ + ΔU, (3.2)

U_ВЫХ = -i_OCR_OC + ΔU, (3.3)

i₁ = -i_OC + i_ВХ, (3.4)

U_ВЫХ = -A ΔU, (3.5)

Решая эти уравнения совместно, можно получить цепи обратной связи:

.

Рисунок 3.2 - Принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ

Сопротивления входного резистора и резистора цепи обратной связи обычно большие (десятки килоом), а коэффициент передачи ОУ очень высокий (А > 100 000), таким образом, полное сопротивление цени обратной связи с высокой точностью можно считать равным Z = R_ОС. Кроме того, величина ΔU обычно очень мала (несколько микровольт), и если значение входного сопротивления ОУ (Z_BX) высокое (обычно около 10 МОм), то тогда входной ток (i_ВХ = ΔU/Z_BX) чрезвычай­но мал и им можно пренебречь. С учетом сказанного выходное напряжение будет равно:

U_ВЫХ = -(R_OC/R₁)U₁ = -K∙U₁, (3.7)

где К - коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью; К = R_OC/R₁.

Знак минус в выражении (3.7) означает, что выходной сигнал имеет поляр­ность, противоположную входному сигналу, то есть, инвертирован относительно него, поэтому такой усилитель называют инвертирующим усилителем. Следует обратить внимание, что коэффициент передачи ОУ, охваченного обратной связью, можно регулировать посредством выбора сопротивлений двух резисто­ров, R₁ и R_ОС.