Неинвертирующий усилитель на ОУ

Неинвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.11).

Рис. 1.11

Данная схема позволяет использовать в качестве неинвертирующего усилителя ОУ, схема обладает высоким полным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R₁ и R_ос.

В данной схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ.

Усилитель содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению, создаваемую на резисторе R_ос и поданную на инвертирующий вход.

Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей является высокое полное входное сопротивление ОУ.

Сопротивления R₁ и R_ос образуют делитель напряжения с очень малой нагрузкой, так как ток, необходимый для управления усилителем, очень мал ( I_см >> 0 ).

Поэтому через R₁ и R_ос течет одинаковый ток и напряжение, приложенное к инвертирующему входу, равно:

U_вх.инв = U_выхR₁/R₁+R_ос

Так как IR₁ = IR_ос , R_вх , имеем

IR₁ = UR₁/R₁ , IR_ос = UR_ос/R_ос , U_вх.инв = U_вх + U_q, поэтому

IR₁ = (U_вх + U_q)/R₁ , IR_x = (U_вых - (U_вх + U_q)) / R_ос Следовательно:

(U_вх + U_q) / R₁ = (U_вых - (U_вх + U_q)) / R_ос Так как

U_вых = KU_q и U_q = U_вых / K, то если K , U_q >>0, можно написать

U_вх / R₁ = (U_вых - U_вх) / R_ос

Найдем отсюда коэффициент усиления схемы U_вых / U_вх , который называют коэффициентом усиления с замкнутой ОС (Kос), или коэффициентом усиления замкнутого усилителя, т.е.

U_вхR_ос = R₁U_вых - R₁U_вх

U_вх(R_ос + R₁) = R₁U_вых

(R_ос + R₁) / R₁ = U_вых / U_вх = К_ос

К_ос = R_ос / R₁ +1 , когда К>>К_ос.

Сопротивления R₁ + R_ос следует выбирать так, чтобы общий ток нагрузки с учетом этого сопротивления не превышал максимального выходного тока усиления.

Передаточные параметры:

· коэффициент усиления по напряжению К_оу определяемый отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение дифференциальному входному сигналу К_оу= U_вых/U_вх.диф ;

· коэффициент ослабления синфазного сигнала К_осс определяемый отношением коэффициента усиления дифференциального сигнала в схеме на ОУ к коэффициенту усиления синфазного сигнала К_осс= К_оу/ К_оу.сс . Он характеризует способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно;

· граничная частота f_гр – частота на которой коэффициент усиления уменьшается в (1/2)^1/2 раз по отношению к максимальному значению коэффициенту усиления. Эта частота соответствует уменьшению коэффициента усиления на –3дБ, при задании коэффициента усиления в логарифмическом масштабе. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис.1.9граничная частота f_гр=10Гц;

· частота единичного усилия f₁ т. е. частота, при которой К_оу=1. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис.1.9 частота единичного усиления f₁=10⁶Гц. Граничная частота f_гр , частота единичного усиления f₁ и коэффициент усиления по напряжению К_оу для ОУ с внутренней коррекцией связаны соотношением f₁= f_грК_оу .

· запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления φ_зап , характеризует устойчивость ОУ. φ_зап =180⁰ – |φ₁|, где φ₁ – фазовый сдвиг на частоте f_1. Положительный запас устойчивости по фазе является показателем устойчивости ОУ. Для получения максимально быстрого отклика на импульсный входной сигнал и одновременно исключения звона или неустойчивости желательно иметь запас устойчивости по фазе порядка 45⁰. Для ОУ фазово-частотная характеристика, которого приведена на рис.1.9 φ₁=90⁰, а φ_зап=90⁰.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики (рис. 1.3).

Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтального и наклонного участков.

Рис. 1.3

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзисторов выходного каскада. При изменении входного напряжения на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется напряжением +U_{вых (max)}, -U_{вых (max)}. Эти напряжения близки к напряжению источников питания.

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Этот диапазон называется областью усиления. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ: K_uоу = U_вых / U_вх. Большие значения коэффициента усиления ОУ позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Амплитудные характеристики, представленные на (рис. 1.3), проходят через нуль. Состояние, когда U_вых = 0 при U_вх = 0, называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При U_вх = 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля (U_вых = + U_вых или U_вых = - U_вых).