Инвертирующий усилитель. Вопросы для самопроверки

ТЕМА 3. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ НА ОУ

Вопросы для самопроверки

1. Приведите эквивалентную схему ОУ и объясните ее.

2. Перечислите свойства идеального операционного усилителя.

3. Сформулируйте два правила, которые используются при разработке схем на ОУ.

4. Назовите базовые схемные блоки на ОУ.

Литература для дополнительного изучения [2, с.3-5]; [3, с.4,5]; [4, с.3-5].

Лекция 3. Схемы пропорционального усиления на ОУ

Цель лекции: Усвоить построение схем пропорционального усиления на основе операционного усилителя, их характеристики и области применения.

Вопросы, которые рассматриваются на лекции:

1. Инвертирующий усилитель.

2. Неинвертирующий усилитель.

3. Усилитель с единичным коэффициентом усиления.

На рисунке 3.1 предоставлена базовая принципиальная схема инвертирующего усилителя. Диапазон применения этого усилителя исключительно широкий и включает, в частности, измерительную технику.

Рисунок 3.1 – Инвертирующий усилитель

Многие особенности инвертирующего усилителя, например, расширенная полоса пропускания и пониженное выходное сопротивление, обусловлены сопротивлением цепи обратной связи.

Выражение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя получаем, используя правила 1 и 2, приведенные в лекции 2. Поскольку не инвертирующий вход заземлен, его потенциал равняется 0 V. Согласно правилу 1, потенциал инвертирующего входа также равняется 0 V (так называемая виртуальная земля). Таким образом инвертирующий вход ОУ в схеме на рисунке 3.1 во всех практических случаях также можно считать заземленным.

В соответствие с первым законом Кирхгофа, алгебраическая сумма всех токов, которые входят в узел и выходят из узла, должна быть равна нулю. В то же время в силу правила 2 равняется 0 и входной ток ОУ. Отсюда вытекает, что

; (3.1)

Поскольку правый вывод резистора находится под потенциалом земли (0 V), а на левом выводе действует входное напряжение , то, согласно закону Ома, . Аналогично получаем . Подстановка этих соотношений в уравнение (3.1)

(3.2)

Таким образом, данная схема инвертирует входной сигнал и усиливает его в раз.

Диапазон линейности схемы (то есть линейности ее амплитудной характеристики) определяется напряжением источника питания. Из рисунка 3.2 видно, что при питании схемы от источника с напряжением 15 V, насыщение наступает, когда исходное напряжение достигает величины напряжения насыщения , типичное значение которого 13 V.

Рисунок 3.2 – Амплитудная характеристика инвертирующего усилителя

В области насыщения любое дальнейшее увеличение никак не сказывается на величине выходного напряжения. Для большинства ОУ максимальный размах выходного напряжения в линейной области приблизительно на 4 V меньше разности между плюсовым и минусовым напряжением источника питания. Входное сопротивление инвертирующего усилителя обычно довольно мало. Поскольку инвертирующий вход собственно говоря заземленный, входным сопротивлением для входного сигнала является сопротивление .

Увеличивая , можно повысить входное сопротивление, но при этом уменьшается коэффициент усиления. Коэффициент усиления можно поднять путем увеличения сопротивления резистора обратной связи , однако максимальное значение сопротивления имеет практическое ограничение.