Краткие теоретические сведения. Усилитель, охваченный последовательной ООС по выходному напряже- нию с коэффициентом передачи равным единице

Усилитель, охваченный последовательной ООС по выходному напряже- нию с коэффициентом передачи равным единице, называется повторителем на- пряжения (рисунок 7.1).

-

+

UВХН

UВЫХ

Рисунок. 7.1 - Схема повторителя напряжения

Свойства такого усилителя подобны свойствам эмиттерного или истоко- вого повторителя и для него выполняется условия

uВХ Н = uВЫХ

RВХ ООС = RВХ0 (1 + КUОУ) RВЫХ ООС = RВЫХ0 (1 + КUОУ)

Что хорошо согласуется со свойствами ОУ. Действительно, напряжение,

приложенное между входами ОУ, передается на выход с коэффициентом усиле- ния КUОУ, т.е. при любом выходном напряжении

∆uВХ = ∆uВХ И - ∆uВХ Н = ∆uВЫХ / КUОУ

в случае КUОУ ®¥получим ∆ uВХ ® 0 и uВХ Н = uВЫХ.

Появление любого входного напряжения сразу приводит к появлению раз-

ности uВХ И - uВХ Н = uВЫХ - uВХ Н. Эта разность, передаваясь на выход ОУ, изменяет его выходное напряжение так, чтобы скомпенсировать возникшее отклонение и восстановить условия, указанные выше.

Учитывая, что собственное входное сопротивление ОУ стремится к беско-

нечности, а выходное сопротивление стремится к нулю, можно сказать, что рас- смотренная схема подобно эмиттерному или истоковому повторителю находит практическое применение в качестве буферных или согласующих элементов.

Неинвертирующий усилитель. Схема повторителя, приведенная на ри- сунке 7.1, не инвертировала входной сигнал, но и не усиливала его. Это объяс- няется тем, что коэффициент передачи отрицательной обратной связи равен

единице. Для получения коэффициента передачи усилителя, превышающего единицу в схеме необходимо обеспечить коэффициент обратной связи bОС < 1.

Для этого в цепь ООС вводят делитель напряжения так, как показано на рисун-

ке 7.2. Эта схема представляет собой неинвертирующий усилитель.

Rос

-

U0

+

Uвх

R1

Uвых

Рисунок 7.2 - Схема неинвертирующего усилителя

Коэффициент передачи делителя в цепи ООС определяется из выражения

bОС = R1/ (RОС – R1)

Тогда коэффициент усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной

связью

КUООС = КUОУ /(1 + КUОУ bОС)= КUОУ /[1+R1КUОУ /(RОС – R1)]

С учетом КUОУ ®¥

окончательно получим

КUООС =(RОС – R1)/ R1=1+ RОС / R1= 1/ bОС

Из полученного выражения можно сделать следующие выводы:

- коэффициент передачи (усиления) неинвертирующего усилителя обратно пропорционален коэффициенту передачи цепи ООС;

- при любых сопротивлениях резисторов в цепи ООС коэффициент передачи неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы. По- следний вывод непосредственно вытекает из свойств ОУ.

Для исследования неинвертирующего усилителя применяют схему, приве- денную на рисунке 7.3.

Рисунок 7.3 – Схема исследования неинвертирующего ОУ

Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ вы- числяется по формуле:

КУ = 1+R1/R2

Постоянная составляющая выходного напряжения усилителя U0ВЫХ опре- деляется произведением напряжения смещения UСМ на коэффициент усиления схемы КУ:

U0ВЫХ = UСМ КУ

Инвертирующий усилитель. В схемах повторителя и неинвертирующего усилителя сигнал uООС и uВХ Н подавались на различные входы ОУ. Для получе- ния инвертирующего усилителя входной сигнал и сигнал обратной связи должны подаваться на один и тот же инвертирующий вход, т.е. цепь отрицательной об- ратной связи превращается из последовательной в параллельную. Типовая схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 7.4.

Iвх

Iос

Rос

- Uвых

Uвх R1

+

Рисунок 7.4 - Схема инвертирующего усилителя

Неинвертирующий вход связывается с общей точкой входа и выхода схемы

(заземляется). Входной сигнал подается через резистор R1, на инвертирующий вход ОУ.

Показатели схемы можно определить, воспользовавшись уравнением токов

для узла 1. Если принять RВХОУ = ¥и входной ток ОУ IВХ = 0, то IВХ=IОС, откуда

(UВХ – UО)/R1 = - (UВЫХ - Uо)/Rос

При КUОУ ¥напряжение на входе ОУ Uо = UВЫХ / КUОУ 0, в связи с

чем получим

UВХ / R1 = - UВЫХ / Rос

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с отрицательной параллельной обратной связью КU И = UВЫХ / UВХ оп- ределяется параметрами только пассивной части схемы

КU И = - Rос / R1

Выбор Rос = R1, когда КU И = - 1, придает схеме на рисунке 7.4 свойство инвертирующего повторителя напряжения (инвертора сигнала).

Изменение коэффициента передачи усилителя до величины, меньшей

единицы, достигается за счет действия входного делителя. Действительно, в

предельном случае, когда Rос = 0, коэффициент передачи цепи отрицательной обратной связи bОС = 1 и собственный коэффициент передачи сигнала со входа ОУ равен единице. В этом случае выполняется условие uВХ И = uВЫХ. Однако ко- эффициент передачи делителя, обеспечивающего необходимый входной сигнал ОУ, снижается до нуля. Вследствие этого суммарный коэффициент передачи всего ОУ также снижается до нуля. Для инвертирующего усилителя фазы вход- ного и выходного напряжений сдвинуты относительно друг друга на 1800.

Для исследования инвертирующего усилителя применяют схему, приве- денную на рисунке 7.5.

Рисунок 7.5 – Схема исследования инвертирующего ОУ

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя на ОУ вычисляется по формуле:

КУ = - Rf / R1

Знак "минус" в формуле означает, что выходное напряжение инверти- рующего усилителя находится в противофазе с входным напряжением. Посто- янная составляющая выходного напряжения U0ВЫХ усилителя зависит от коэф- фициента усиления КУ схемы и напряжения смещения UСМ и вычисляется по формуле:

U0ВЫХ = UСМ КУ