Как работает неинвертирующий усилитель

6.4. Неинвертирующий усилитель

Упрощенная принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.8.

Нетрудно показать, что в неинвертирующем усилителе ОУ охвачен ПООСН. Поскольку и подаются на разные входы, то для идеального ОУ можно записать:

откуда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:

Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ полученные выражения справедливы при глубине ООС F>10.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико и определяется глубокой последовательной ООС и высоким значением :

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ определяется как для инвертирующего, т.к. в обоих случаях действует ООС по напряжению:

Расширение полосы рабочих частот в неинвертирующем усилителе достигается также, как и в инвертирующем, т.е.

Для снижения токовой ошибки в неинвертирующем усилителе, аналогично инвертирующему, следует выполнить условие:

Неинвертирующий усилитель часто используют при больших (что возможно за счет большого ), поэтому выполнение этого условия не всегда возможно из-за ограничения на величину номиналов резисторов.

Наличие на инвертирующем входе синфазного сигнала (передаваемого по цепи: неинвертирующий вход ОУ выход ОУ инвертирующий вход ОУ) приводит к увеличению , что является недостатком рассматриваемого усилителя.

При увеличении глубины ООС возможно достижение , т.е. получение неинвертирующего повторителя, схема которого приведена на рисунке 6.9.

Здесь достигнута 100% ПООСН, поэтому данный повторитель имеет максимально большое входное и минимальное выходное сопротивления и используется, как и любой повторитель, в качестве согласующего каскада. Для неинвертирующего повторителя можно записать:

т.е. напряжение ошибки может достигать довольно большой величины.

На основе рассмотренного неинвертирующего УПТ также возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений (см. подраздел 2.5).

Помимо инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ выполняются различные варианты УУ, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

6.5. Разновидности уу на оу

На основе ОУ может быть выполнен разностный (дифференциальный) усилитель, схема которого приведена на рисунке 6.10.

Разностный усилитель на ОУ можно рассматривать как совокупность инвертирующего и неинвертирующего вариантов усилителя. Для разностного усилителя можно записать:

Как правило, и , следовательно, . Раскрыв значения коэффициентов усиления, получим:

Для частного случая при получим:

Последнее выражение четко разъясняет происхождение названия и назначение рассматриваемого усилителя.

В разностном усилителе на ОУ при одинаковой полярности входных напряжений имеет место синфазный сигнал, который увеличивает ошибку усилителя. Поэтому в разностном усилителе желательно использовать ОУ с большим КОСС. К недостаткам рассмотренного разностного усилителя можно отнести разную величину входных сопротивлений и трудность в регулировании коэффициента усиления. Эти трудности устраняются в устройствах на нескольких ОУ, например, в разностном усилителе на двух повторителях (рисунок 6.11).

Данная схема симметрична и характеризуется одинаковыми входными сопротивлениями и малым напряжением ошибки, но работает только на симметричную нагрузку.

На основе ОУ может быть выполнен логарифмический усилитель, принципиальная схема которого приведена на рисунке 6.12.

P-n переход диода VD смещен в прямом направлении. Полагая ОУ идеальным, можно приравнять токи и .Используя выражение для ВАХ p-n перехода , нетрудно записать:

откуда после преобразований получим:

из чего следует, что выходное напряжение пропорционально логарифму входного, а член представляет собой ошибку логарифмирования. Следует заметить, что в данном выражении используются напряжения, нормированные относительно одного вольта.

При замене местами диода VD и резистора R получается антилогарифмический усилитель.

Широкое распространение получили инвертирующие и неинвертирующие сумматоры на ОУ, называемые еще суммирующими усилителями или аналоговыми сумматорами. На рисунке 6.13 приведена принципиальная схема инвертирующего сумматора с тремя входами. Это устройство является разновидностью инвертирующего усилителя, многие свойства которого проявляются и в инвертирующем сумматоре.

При использовании идеального ОУ можно считать, что входных токов усилителя, вызванных входными напряжениями , и , равна току, протекающему по , т.е.

Из полученного выражения следует, что выходное напряжение устройства представляет собой сумму входных напряжений, умноженную на коэффициент усиления . При и .

При выполнении условия токовая ошибка мала, и ее можно рассчитать по формуле , где — коэффициент усиления сигнала ошибки, который имеет большее значение, чем .

Неинвертирующий сумматор реализуется также как и инвертирующий сумматор, но для него следует использовать неинвертирующий вход ОУ по аналогии с неинвертирующим усилителем.

При замене резистора конденсатором С (рисунок 6.14) получаем устройство, называемое аналоговым интегратором или просто интегратором.

При идеальном ОУ можно приравнять токи и , откуда следует:

Точность интегрирования тем выше, тем больше .

Кроме рассмотренных УУ, ОУ находят применение в целом ряде устройств непрерывного действия, которые будут рассмотрены ниже.

Инвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Инвертирующий усилитель является одним из самых простых и наиболее часто используемых аналоговых схем. С помощью всего двух резисторов, мы можем выставить необходимый нам коэффициент усиления. Ничего не мешает нам сделать коэффициент менее 1, тем самым ослабив входной сигнал.

Часто к схеме добавляют еще один резистор R3, сопротивление которого равно сумме R1 и R2.

Чтобы понять, как работает инвертирующий усилитель, смоделируем простую схему. У нас на входе напряжение 4В, сопротивление резисторов составляет R1=1к и R2=2к. Можно было бы, конечно, подставить все это в формулу и сразу вычислить результат, но давайте посмотрим, как именно работает эта схема.

Начнем с напоминания основных принципов работы операционного усилителя:

Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

Обратите внимание, что неинвертирующий вход (+) соединен с массой, то есть на нем напряжение равное 0В. В соответствии с правилом №1 на инвертирующем входе (-) так же должно быть 0В.

Итак, мы знаем напряжение, находящееся на выводах резистора R1 и его сопротивление 1к. Таким образом, с помощью закона Ома мы можем выполнить расчет, и рассчитать, какой ток течет через резистор R1:

Чтобы знать, куда дальше течет этот ток, мы должны знать еще принцип действия усилителя:

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Таким образом, ток, протекающий через R1, течет далее через R2!

Снова воспользуемся законом Ома и вычислим, какое падение напряжения происходит на резисторе R2. Мы знаем его сопротивление и знаем какой ток через него, следовательно:

Получается, что на выходе мы имеем 8В? Не совсем так. Напомню, что это инвертирующий усилитель, т. е. если на вход мы подаем положительное напряжение, а на выходе снимаем отрицательное. Как же это происходит?

Это происходит вследствие того, что обратная связь установлена на инвертирующем входе (-), и для уравнивания напряжений на входе усилитель снижает потенциал на выходе. Соединения резисторов можно рассмотреть как простой делитель напряжения, поэтому чтобы потенциал в точке их соединения был равен нулю, на выходе должно быть минус 8 вольт: Uвых. = -(R2/R1)*Uвх.

Есть еще один подвох, связанный с 3 правилом:

Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

То есть нужно проверить, что рассчитанные нами напряжения можно реально получить через усилитель. Часто начинающие думают, что усилитель работает как источник свободной энергии и вырабатывает напряжение из ничего. Но надо помнить, что для работы усилителя также нужно питание.
Классические усилители работают от напряжения -15В и +15В. В такой ситуации наши -8В, которые мы рассчитали, являются реальным напряжением, так как находится в этом диапазоне.

Однако современные усилители часто работают с напряжением 5В и ниже. В такой ситуации нет никаких шансов, чтобы усилитель выдал нам минус 8В на выходе. Поэтому, при проектировании схем всегда помните, что теоретические расчеты всегда нужно подкреплять реальностью и физическими возможностями.

Необходимо отметить, что инвертирующий усилитель имеет один недостаток. Мы уже знаем, что повторитель напряжения не нагружает источник сигнала, поскольку входы усилителя имеют очень большое сопротивление, и потребляют ток так мало, что в большинстве случаев его можно игнорировать (правило №2).

Инвертирующий же усилитель имеет входное сопротивление равное сопротивлению резистора R1, на практике оно составляет от 1к…1М. Для сравнения, усилитель с входами на полевых транзисторах имеет сопротивление порядка сотен мегаом и даже гигаом! Поэтому иногда может быть целесообразно перед усилителем установить повторитель напряжения.

Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Неинвертирующий усилитель — это, пожалуй, одни из трех самых элементарных схем аналоговой электроники, наряду со схемами инвертирующего усилителя и повторителя напряжения. Он даже проще чем инвертирующий усилитель, поскольку для работы схемы не нужно двухполярное питание.

Обратите внимание на единицу, содержащуюся в формуле. Это нам говорит о том, что неинвертирующий усилитель всегда имеет усиление больше 1, а это значит, что с помощью такой схемы вы не можете ослабить сигнал.

Чтобы лучше понять, как работает неинвертирующий усилитель, давайте рассмотрим схему на операционном усилителе и подумаем, какое будет напряжение на его выходе.

В первую очередь мы должны подумать о том, какие напряжения присутствуют на обоих входах нашего операционного усилителя. Вспомним первое из правил, которое описывает работу операционного усилителя:

Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

То есть, напряжение на инвертирующем входе составляет 3В. На следующем этапе давайте рассмотрим резистор сопротивлением 10k. Мы знаем, какое напряжение на нем и его сопротивление, а значит, из закона Ома мы можем вычислить какой ток течет через него:

I = U/R = 3В/10k = 300мкА.

Этот ток, согласно правилу 2, не может быть взят с инвертирующего входа (-), таким образом, он идет с выхода усилителя.

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Ток 300мкА протекает также через резистор сопротивлением 20к. Напряжение на нем мы легко вычислим с помощью закона Ома:

U = IR = 300мкА * 20к = 6В

Получается, что это напряжение и есть выходное напряжение усилителя? Не, это не так. Напомним, что резистор 20к на одном из своих выводов имеет напряжение 3В. Обратите внимание, как направлены напряжения на обоих резисторах.

Ток течет в направлении противоположном направлению стрелки, символизирующей точку с более высоким напряжением. Поэтому к рассчитанным 6В нужно добавить еще 3В на входе. В таком случае конечный результат будет 9В.

Стоит отметить, что резисторы R1 и R2 образуют простой делитель напряжения. Помните, что сумма напряжений на отдельных резисторах делителя должно быть равно напряжению, поступающему на делитель — напряжение не может исчезнуть бесследно и возникнуть из ниоткуда.

В заключение мы должны проверить полученный результат с последним правилом:

Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

То есть нам необходимо проверить, что рассчитанное нами напряжение можно получить реально. Часто начинающие думают, что усилитель работает как «Perpetuum Mobile», и вырабатывает напряжение из ничего. Но надо помнить, что для работы усилителя также нужно питание.

Классические усилители работают от напряжения -15В и +15В. В такой ситуации расчетные нами 9В являются реальным напряжением, поскольку 9В находится в диапазоне питающего напряжения. Однако современные усилители часто работают с напряжением от 5В или еще ниже. В такой ситуации нет никаких шансов, чтобы усилитель выдал на выходе 9В.

Поэтому при разработке схем необходимо всегда помнить, что теоретические расчеты всегда должны сверяться с реальностью и физическими возможностями компонентов.

Операционные усилители (на основе простейших примеров): часть 1

В курсе электроники есть много важных тем. Сегодня мы попытаемся разобраться с операционными усилителями.
Начнем сначала. Операционный усилитель — это такая «штука», которая позволяет всячески оперировать аналоговыми сигналами. Самые простейшие и основные — это усиление, ослабление, сложение, вычитание и много других (например, дифференцирование или логарифмирование). Абсолютное большинство операций на операционных усилителях (далее ОУ) выполняются с помощью положительных и отрицательных обратных связей.
В данной статье будем рассматривать некий «идеал» ОУ, т.к. переходить на конкретную модель не имеет смысла. Под идеалом подразумевается, что входное сопротивление будет стремиться к бесконечности (следовательно, входной ток будет стремиться к нулю), а выходное сопротивление — наоборот, будет стремиться к нулю (это означает, что нагрузка не должна влиять на выходное напряжение). Также, любой идеальный ОУ должен усиливать сигналы любых частот. Ну, и самое важное, коэффициент усиления при отсутствующей обратной связи должен также стремиться к бесконечности.

Ближе к делу

Операционный усилитель на схемах очень часто обозначается равносторонним треугольничком. Слева расположены входы, которые обозначены «-» и «+», справа — выход. Напряжение можно подавать на любой из входов, один из которых меняет полярность напряжения (поэтому его назвали инвертирующим), другой — не меняет (логично предположить, что он называется неинвертирующий). Питание ОУ, чаще всего, двуполярное. Обычно, положительное и отрицательное напряжение питания имеет одинаковое значение (но разный знак!).
В простейшем случае можно подключить источники напряжения прямо ко входам ОУ. И тогда напряжение на выходе будет расчитываться по формуле:
, где — напряжение на неинвертирующем входе, — напряжение на инвертирующем входе, — напряжение на выходе и — коэффициент усиления без обратной связи.
Посмотрим на идеальный ОУ с точки зрения Proteus.

Предлагаю «поиграть» с ним. На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В. На инвертирующий 3В. Используем «идеальный» ОУ. Итак, получаем: . Но тут у нас есть ограничитель, т.к. мы не сможем усилить сигнал выше нашего напряжения питания. Таким образом, на выходе все равно получим -15В. Итог:

Изменим коэффициент усиления (чтобы Вы мне поверили). Пусть параметр Voltage Gain станет равным двум. Та же задача наглядно решается.

Реальное применение ОУ на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Есть два таких основных правила:
I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы дифференциальное напряжение (разность между напряжением на инвертирующем и неинвертирующем входах) было равно нулю.
II. Входы ОУ не потребляют тока.
Первое правило реализуется за счет обратной связи. Т.е. напряжение передается с выхода на вход таким образом, что разность потенциалов становится равной нулю.
Это, так сказать, «священные каноны» в теме ОУ.
А теперь, конкретнее. Инвертирующий усилитель выглядит именно так (обращаем внимание на то, как расположены входы):

Исходя из первого «канона» получаем пропорцию:
, и немного «поколдовав» с формулой выводим значение для коэффициента усиления инвертирующего ОУ:

Приведенный выше скрин в комментариях не нуждается. Просто сами все подставьте и проверьте.

Следующий этап — неинвертирующий усилитель.
Тут все также просто. Напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вход. На инвертирующий вход подводится обратная связь. Напряжение на инвертирующем входе будет:
, но применяя первое правило, можно утверждать, что

И снова «грандиозные» познания в области высшей математики позволяют перейти к формуле:
Приведу исчерпывающий скрин, который можете перепроверить, если хотите:

Пара интересных схем

Напоследок, приведу парочку интересных схем, чтобы у Вас не сложилось впечатления, что операционные усилители могут только усиливать напряжение.

Повторитель напряжения (буферный усилитель). Принцип действия такой же, как и у транзисторного повторителя. Используется в цепях с большой нагрузкой. Также, с его помощью можно решить задачку с согласованием импедансов, если в схеме есть нежелательные делители напряжения. Схема проста до гениальности:

Суммирующий усилитель. Его можно использовать, если требуется сложить (отнять) несколько сигналов. Для наглядности — схема (снова обращаем внимание на расположение входов):

Также, обращаем внимание на то, что R1 = R2 = R3 = R4, а R5 = R6. Формула расчета в данном случае будет: (знакомо, не так ли?)
Таким образом, видим, что значения напряжений, которые подаются на неинвертирующий вход «обретают» знак плюс. На инвертирующий — минус.

Заключение

Схемы на операционных усилителях чрезвычайно разнообразны. В более сложных случаях Вы можете встретить схемы активных фильтров, АЦП и устройств выборки хранения, усилители мощности, преобразователи тока в напряжение и многие многие другие схемы.

Список источников

Краткий список источников, который поможет Вам быстрее освоится как в ОУ, так и в электронике в целом:
Википедия
П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники»
Б. Бейкер. «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике»
Конспект лекций по электронике (желательно, собственный)
UPD.: Спасибо НЛО за приглашение

ОУ
операционные усилители
электроника
начинающим