Схемотехника аналоговых электронных устройств

т.е. при идеальном ОУ K_U инв определяется отношением величин внешних резисторов и не зависит от самого ОУ.

Для реального ОУ необходимо учитывать его входной ток I_вх, т.е. I_г=I_ос+I_вх или (E_г–U_вх)/R₁=(U_вх–U_вых)/R_ос+U_вх/U_вхОУ, где U_вх — напряжение сигнала на инвертирующем входе ОУ, т.е. в точке a. Тогда для реального ОУ получаем:

Нетрудно показать, что при глубине ООС более 10, т.е. K_u ОУ/K_U инв=F>10, погрешность расчета K_U инв для случая идеального ОУ не превышает 10%, что вполне достаточно для большинства практических случаев.

Номиналы резисторов в устройствах на ОУ не должны превышать единиц мегом, в противном случае возможна нестабильная работа усилителя из-за токов утечки, входных токов ОУ и т.п. Если в результате расчета величина R_ос превысит предельное рекомендуемое значение, то целесообразно использовать Т-образную цепочку ООС, которая при умеренных номиналах резисторов позволяет выполнить функцию эквивалента высокоомного R_ос (рисунок 6.7б) . В этом случае можно записать:

На практике часто полагают, что R_ос1=R_ос2>>R_ос3, а величина R₁ обычно задана, поэтому R_ос3 определяется достаточно просто.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ R_вх инв имеет относительно небольшое значение, определяемое параллельной ООС:

R_вх инв = R₁ +(R_ос/K_u ОУ + 1)∥R_вхОУ ≈ R₁,

т.е. при больших K_u ОУ входное сопротивление определяется величиной R₁.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя R_{вых инв} в реальном ОУ отлично от нуля и определяется как величиной R_вых ОУ, так и глубиной ООС F. При F>10 можно записать:

R_{вых инв} = R_вых ОУ/F = R_вых ОУ/K_U инв/K_u ОУ.

С помощью ЛАЧХ ОУ можно представить частотный диапазон инвертирующего усилителя (см. рисунок 6.6), причем

f_вОС = f_T/K_U инв.

В пределе можно получить K_U инв=1, т.е. получить инвертирующий повторитель. В этом случае получаем минимальное выходное сопротивление усилителя на ОУ:

R_{вых пов} = R_вых ОУ/K_u ОУ.

В усилителе на реальном ОУ на выходе усилителя при U_вх=0 всегда будет присутствовать напряжение ошибки U_ош, порождаемое U_см и ΔI_вх. С целью снижения U_ош стремятся выровнять эквиваленты резисторов, подключенных к входам ОУ, т.е. взять R₂=R₁∥R_ос (см. рисунок 6.7а). При выполнении этого условия для K_U инв>10 можно записать:

U_ош ≈ U_смK_U инв + ΔI_вхR_ос.

Уменьшение U_ош возможно путем подачи дополнительного смещения на неинвертирующий вход (с помощью дополнительного делителя) и уменьшения номиналов применяемых резисторов.

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

6.4. Неинвертирующий усилитель

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

Рисунок 6.8. Неинвертирующий усилитель на ОУ

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

U_вх = U_выхR₁/(R₁ + R_ос),

откуда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:

K_{U неинв} = 1 + R_ос/R₁,

или

K_{U неинв} = 1 + |K_U инв|.

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

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя R_{вх неинв} велико и определяется глубокой последовательной ООС и высоким значением R_вхОУ:

R_{вх неинв} = R_вхОУ·F = R_вхОУ·K_U ОУ/K_{U неинв}.

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

R_{вых неинв} = R_выхОУ/F = R_выхОУ/K_{U неинв}/K_U ОУ.

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

f_вОС = f_T/K_{U неинв}.

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

R_г = R₁∥R_ос.

Неинвертирующий усилитель часто используют при больших R_г (что возможно за счет большого R_{вх неинв}), 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 ⇒ R_ос ⇒ инвертирующий вход ОУ) приводит к увеличению U_ош, что является недостатком рассматриваемого усилителя.

При увеличении глубины ООС возможно достижение K_{U неинв}=1, т.е. получение неинвертирующего повторителя, схема которого приведена на рисунке 6.9.

Рисунок 6.9. Неинвертирующий повторитель на ОУ