Базовые схемы усилителей на ОУ

Схема неинвертирующего усилителя (рис. 12.3, а ) нам хорошо знакома – именно она составляет основу лабораторного источника питания из главы 9 (см. рис. 9.12). Анализ ее элементарно прост и исходит из рассмотренных ранее правил: U_oc = U_вх , т. е.:

U _вх = U_вых ·R2 /(R1 + R2 ).

Тогда коэффициент усиления:

К_ус = U_вых /U_вх = (R1 + R2 )/R2 = 1 + R1 /R2,

каким мы его и предполагали в главе 9 .

Рис. 12.3. Базовые схемы на ОУ:

_{а – неинвертирующий усилитель; б – инвертирующий усилитель, в – повторитель; г – инвертирующий усилитель с высоким коэффициентом усиления}

Единица, которая плюсуется к отношению сопротивлений резисторов обратной связи в выражении для коэффициента усиления, – очень важное дополнение, потому что если убрать в схеме неинвертирующего усилителя резистор R2 (т. е. принять его равным бесконечности), то отношение сопротивлений станет равным нулю, а К_ус – равным 1. Соответствующая схема показана на рис. 12.3, в и носит название повторителя . Зачем она нужна, если ничего не усиливает? Эта схема обладает одним бесценным свойством: ее входное сопротивление равно практически бесконечности, а выходное – практически нулю (в пределах, конечно, мощности выходного каскада, как мы уже говорили). Поэтому повторитель очень часто используют в случаях, когда нужно согласовать источник сигнала с высоким выходным сопротивлением с низкоомным приемником, и мы еще увидим примеры такого согласования.

В неинвертирующем усилителе обратная связь носит название обратной связи по напряжению. В отличие от него, в инвертирующем усилителе (рис. 12.3, б ) обратная связь имеет характер обратной связи по току , и вот почему. Так как здесь неинвертирующий вход имеет потенциал «земли», то и инвертирующий тоже всегда будет иметь такой же потенциал . Следовательно, от входа через резистор R2 потечет некий ток (I_вх ). А раз мы договорились, что сам вход ОУ тока не потребляет, то этот ток должен куда‑то деваться, и он потечет через резистор R1 на выход ОУ.

Таким образом, входной ток (I_вх ) и ток обратной связи (I_ос ) – это один и тот же ток. Причем потенциал выхода ОУ вынужденно станет противоположным по знаку потенциалу входа – иначе току некуда будет течь. Чему равен коэффициент усиления? Поскольку U_вх /R2 = U_вых /R1 , то К_ус = U_вых /U_вх = R1 /R2 . Обратите внимание, что в этом случае, в отличие от неинвертирующей схемы, единицу прибавлять не нужно. Поэтому R2 в данном случае есть необходимый элемент схемы и не может равняться ни нулю, ни бесконечности, за исключением того случая, когда источник сигнала сам по себе представляет источник тока, а не напряжения, – тогда R2 из схемы можно (и нужно) исключить и подать токовый сигнал прямо на вход ОУ.

Похожее на приведенные соотношения уравнение для коэффициента усиления мы получали при рассмотрении транзисторного усилительного каскада в главе 6 , где оно было равно отношению коллекторной нагрузки к сопротивлению в эмиттерной цепи. Это обусловлено тем, что в транзисторном каскаде также имеет место обратная связь.

Отметим, что подавать именно нулевой потенциал на неинвертирующий вход совершенно необязательно – скажем, если вы используете однополярный источник питания, то на неинвертирующий вход подается потенциал «искусственной средней точки», как это было сделано в схеме УМЗЧ из главы 11 . Можно и любой другой, и мы еще будем этим широко пользоваться.

Максимальное значение выходного напряжения ОУ не всегда может равняться положительному или отрицательному напряжению питания – как правило, оно меньше его на величину порядка 0,5–1,5 В (простейшим примером для понимания того, почему это так, служит наш звуковой усилитель из главы 8 ). То же самое относится и к входным напряжениям – как правило, достигать значений питания не разрешается. Однако многие современные типы ОУ это все же позволяют, и выходное/входное допустимое напряжение у них достигает значений питания (чаще – только одно выходное). Это свойство в западной технической документации обозначается как Rail‑to‑Rail (т. е. «от шины до шины»), и на него нужно обращать внимание при выборе ОУ. При этом следует учитывать, что выходное напряжение может достигать напряжения питания только на холостом ходу, а с подключением нагрузки оно снижается.

Мы сейчас ведем речь об ОУ общего применения, к которым относятся старички μА741 (К140УД7), отечественные 140УД6, 140УД8 (последний – с полевыми транзисторами на входе) или счетверенный LM324 (который поддерживает Rail‑to‑Rail по входу и, частично – в отношении потенциала «земли», – по выходу), но, конечно, есть и более современные типы, многие из которых упоминаются далее. Как выбрать подходящий ОУ из всего разнообразия, имеющегося на рынке? Кроме очевидных характеристик, таких как ток потребления и допустимое напряжение питания, следует учитывать параметры, которые характеризуют неидеальность ОУ.