Неинвертирующий усилитель. Обратной связью называется передача энергии или информации с выхода устройства или системы на его вход

Инвертирующий усилитель

Идеальный ОУ. Виртуальный ноль

Обратные связи

Обратной связью называется передача энергии или информации с выхода устройства или системы на его вход.

Сигнал ОС зависит от одного из выходных параметров устройства: напряжения, тока, частоты сигнала, температуры и т.д. В соответствии с этим обратные связи называются ОС по напряжению, току, температуре и т.д.

Сигнал ОС на входе устройства складывается с входным сигналом.

Рис. 3.

Если напряжение сигнала ОС и входного сигнала складывается, то такая ОС называется последовательной. Если складываются токи, то такая ОС называется параллельной.

Если на выходе устройства сигнал ОС вычитается из входного сигнала, то ОС является отрицательной ОС (ООС). При этом на вход устройства действует разностный сигнал, который меньше входного, что приводит к уменьшению выходного сигнала. ООС уменьшает коэффициент усиления, но улучшает другие параметры: увеличивает стабильность выходного сигнала, уменьшает искажения и нелинейность.

Покажем, что в усилителе, охваченном ООС искажения, возникающие внутри усилителя, уменьшаются во столько же раз, во сколько падает усиление. С целью упрощения будем считать, что сигнал искажений не зависит от выходного напряжения. Представим такой усилитель как неискажающий усилитель с коэффициентом усиления К, к выходному напряжению которого добавляется напряжение искажений U_ск.

Напряжение на выходе усилителя будет равно

U’_иск=K_осKU’_иск+U_иск

откуда

Коэффициент усиления уменьшается во столько же раз

– коэффициент усиления с ОС

откуда

При положительной ОС на вход устройства подается сумма входного сигнала и сигнала ОС. Коэффициент усиления и выходной сигнал возрастает, а стабильность выходных параметров снижается. Положительная ОС (ПОС) применяется для ускорения переходных процессов, в схемах генераторов и в импульсных устройствах.

При использовании в качестве усилительного элемента ОУ с высоким коэффициентом усиления передаточная функция устройства с обратными связями, может являться функцией только параметров цепей ОС.

Понятие идеального ОУ вводится с целью упрощения анализа схем на ОУ. Идеальным называется ОУ, обладающий входным сопротивлением для дифференциального сигнала равным бесконечности, бесконечным внутренним коэффициентом усиления с нулевым выходным сопротивлением.

R_вх=¥, K=¥, R_вых=0

Кроме того, предполагается, что коэффициент ослабления синфазного сигнала равен бесконечности.

Охватим идеальный ОУ обратной отрицательной связью (ООС), рис.4. Поскольку ОУ обладает K=¥, то любой малый сигнал U₁, поданный на диод, будет усилен и передан по цепи отрицательной обратной связи (R2) во входную цепь. Входной сигнал U_вх должен быть так скомпенсирован выходным сигналом, чтобы в состоянии равновесия сигнал между входами U₁ был равен нулю, а точка А оказалась так называемым виртуальным (фактическим) нулем.

Распространена схема инвертирующего ОУ с ООС рис. 4.

Рис. 4

ОУ при подаче сигнала на инвертирующий вход при усилении меняет полярность сигнала на противоположную. При усилении синусоидального сигнала осуществляется сдвиг фазы на 180˚.

Так как входное сопротивление равно бесконечности, то I_вх=I_o

Левые части данных уравнений равны, следовательно равны и правые:

Коэффициент усиления равен:

Входное сопротивление инвертирующего усилителя с учетом того, что потенциал точки 1 равен нулю:

R_вх=R₁

При R2=R1 получаем инвертирующий повторитель К=-1.

Входной сигнал подается на прямой вход ОУ, рис. 5, а напряжение обратной связи на инверсный.

Рис. 5.

откуда

Коэффициент усиления будет равен

Минимальные значения резисторов в рассмотренных схемах ограничиваются нагрузочной способностью ОУ, а максимальные - соизмеримостям токов, протекающих по высокоомным резисторам, с диодными токами.

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя за счет обратной связи меньше, чем у самого ОУ.

Частный случай неинвертирующего усилителя – неинвертирующий повторитель R₁=¥, R₂=0, K=1. (Рис. 6).

Рис. 6.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя равно

где i_вх – входной ток между входами:

где R_вхОУ - входное сопротивление ОУ (без ОС).

При (U_вх-U_A) –> 0, i_вх–>0 и R_вх>>R_вхОУ

В ряде случаев входной сигнал подают на неинвертирующий вход через резистор, что позволяет уменьшить погрешность от разности входных токов.