Неинвертирующий усилитель на ОУ

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рис. 5.14. Определим ее коэффициент передачи. Запишем уравнение токов для точки a: I1 + + Iвx ОУ = I2. В силу Rвx ОУ ® ¥ Iвx ОУ = 0, откуда I1 = I2.Выражая токи через сопротивления и падения напряжений на этих сопротивлениях, получим –fа /R1 = (fа – Uвыx)/R2. В данной схеме fа ¹ 0; fа/R2 + fа/R1 = Uвыx/R2, т. е. fа(R2 + R1)/R1 = Uвыx, откуда fа = UвыxR1/(R1 + R2). Но, так как Uвx ОУ = fа и в силу КОУ ¹ ¥ Uвx ОУ = Uвыx/КОУ = 0, то fа = f+.

С другой стороны, так как Iвx ОУ = 0, то и ток через сопротивление R3 не течет, падения напряжения на нем нет и fа = Uвx. Отсюда окончательно получаем Uвx = UвыxR1/(R1 + R2), или Uвыx = Uвx(R1 + R2)/R1. Переписав в более удобном виде, имеем:

 
  Рис. 5.14

Uвыx= Uвx(l + R2/R1),

KU = l + R2/R1.

Итак, схема рис. 5.14 является (при любом соотношении R2/R1 кроме R2 = 0) усилителем, причем неинвертирующим. В отличие от инвертирующего усилителя, у которого коэффициент передачи может быть любым (как больше, так и меньше единицы), у неинвертирующего усилителя КU < 1 обеспечить нельзя ни при каком соотношении сопротивлений на входе и в цепи обратной связи.

 

Повторитель на операционном усилителе

 

Если в неинвертирующем усилителе принять R2 = 0 (т. е. соединить накоротко инвертирующий вход с выходом), а R1 устремить к бесконечности (значит вовсе убрать R1 из схемы), то получится схема рис. 5.15. Подставив значения R2 и R1 в формулу для KU неинвертирующего усилителя, получим KU = 1 + 0/¥ = 1.Это означает, что при прохождении через схему сигнал не меняется ни по амплитуде, ни по фазе. Схема рис. 5.15 является повторителем.

Рис. 5.15

В 4.2 была рассмотрена схема с общим коллектором – транзисторный вариант повторителя. В транзисторных схемах основной функцией повторителя является согласование схем, имеющих высокоомное выходное сопротивление с низкоомными нагрузками (например, с кабелями). ОУ сами обладают низкоомными выходными сопротивлениями, поэтому при применении повторителей на операционных усилителях на передний план выступает иная задача – ослабления влияния изменений нагрузки на работу источников сигнала. Повторители на ОУ используют как буферные каскады, принимающие на себя вариации во входном сопротивлении нагрузки и обеспечивающие высокую стабильность параметров формирователей сигнала.

 

Инвертирующий сумматор

 

Рассмотренные в 5.2–5.4 схемы имели один вход. Однако в некоторых задачах необходимо осуществлять сложение двух и более сигналов. Для сложения сигналов используют электронные схемы, именуемые сумматорами.

Рис. 5.16

Рассмотрим схему рис. 5.16. На инвертирующий вход ОУ через сопротивления R1 – R3 поступают сигналы Uвx1 – Uвx3. Для того чтобы определить значение Uвыx, воспользуемся допущениями относительно свойств ОУ, принятыми ранее: КОУ ® ¥, Rвx ОУ ® ¥.

Запишем для точки а уравнение токов согласно первому закону Кирхгофа:

I0 + Iвx ОУ = I1 + I2 + I3.

Но, так как Rвx ОУ ® ¥, то Iвx ОУ = 0, откуда I0 = I1 + I2 + I3.

Выразим токи через сопротивления и падения напряжений на этих сопротивлениях:

(fа − Uвыx)/R0 = (Uвx1 − fа)/R1 + (Uвx2 − fа)/R2 + (Uвx3 − fа)/R3.

В силу соединения неинвертирующего входа ОУ с землей (f+ = 0) и допущения о КОУ ® ¥ fа » 0, откуда

−Uвыx/R0 = Uвx1/R1 + Uвx2/R2 + Uвx3/R3,

т. е.

Uвыx = −(Uвx1R0/R1 + Uвx2R0/R2 + Uвx3R0/R3).

Отношения R0/Ri выполняют роль коэффициентов передачи для сиг-

 

налов Uвxi, их можно обозначить через KUi = R0/Ri. Тогда, в общем виде,

Uвыx = −Σ Uвx i KUi.

Эта формула верна при любом количестве слагаемых.

Таким образом, выходной сигнал равен сумме входных с учетом масштабирующих коэффициентов и с обратным знаком. Данная схема называется инвертирующим сумматором. Отметим, что при сложении сигналов «без весов» следует все входные сопротивления брать одинаковыми (например, R0 = Ri). При сложении «с весами» следует обеспечить соотношение значений сопротивлении Ri, обратное соотношению «весов» (т. е. КUi).