Неинвертирующий усилитель

Схема на рис. 17 а позволяет использовать операционный уси­литель в качестве неинвертирующего усилителя с высоким пол­ным входным сопротивлением, причем коэффициент усиления всей схемы по напряжению может быть жестко задан с помощью сопротивлений R₁и R_о.с. Полное входное сопротивление всей схемы оказывается высоким, так как единственным путем для тока между входом и землей (входного тока) является вы­сокое полное входное сопротивление операционного усилителя.

а б

Рис. 17. Неинвертирующий (а) и инвертирующий (б) усилитель

Сопротивления R₁и R_о.собразуют делитель напряже­ния с очень малой нагрузкой, в силу того что ток, необходи­мый для управления усилите­лем, очень мал (I_см ≈ 0). Поэтому через R₁и R_о.с течет одинаковый ток, и напряжение, приложенное к инвертирую­щему входу, равно U_выхR₁ / (R₁ + R_о.с).

Если, например, U_вх= 1 В, то усилитель будет реагировать на превышение U_днад U_вых/А,меняя выходное на­пряжение до тех пор, пока, напряжение на инвертирующем входе не станет равным напряжению на неинвертирующем входе (т. е. U_д = U_вых/A ≈ 0). Если R₁ = 10 кОм и R_О.С = 100 кОм, то , U_BЫX должно стать равным 11 В для того, чтобы U_дстало настолько малым, чтобы точно соответствовать вы­ходному напряжению усилителя. После этого выходное напряжение будет оставаться равным 11 В, пока не изменится входной сигнал.

Чтобы получить выражение для коэффициента усиления нашей схемы, напомним, что = , так как R_вх→∞. Имеем = / R₁ и = /R_о.с. Напряжение на инверти­рующем входе усилителя равно U_BX + U_Д , поэтому

=( U_вх+ U_д)/ R₁, = [U_вых – (U_вх+ U_д)]/ R_о.с.

Следовательно, (U_вх+ U_д)/ R₁= [U_вых – (U_вх+ U_д)]/ R_о.с. По­скольку U_вых=AU_ди U_д =(U_вых/A,то если, как мы предпо­ложили, А→∞ и U_д ≈ 0, можно написать U_вх/ R₁ = (U_вых – U_вх)/R_о.с. Отсюда найдем коэффициент усиления схемы U_вых/ U_вх,который обычно называют коэффициентом усиления с замкнутой обратной связью К_о.с или коэффициентом усиле­ния замкнутого усилителя. Решая уравнение U_вх R_о.с = R₁ U_вых - R₁ U_вхполучим

U_вх(R_о.с+ R₁) = R₁ U_вых,(R_о.с+ R₁)/ R₁ = U_вых/ U_вх= К_о.с.

Таким образом, значения сопротивления R_О,С и R₁ определяют коэффициент усиления схемы по напряжению. Формула для коэффициента усиления с замкнутой обратной связью неинвер­тирующего усилителя

К_о.с = (R_о.с+ R₁)/ R₁ = R_о.с / R₁ + 1 (1)

верна в случае, когда А >> К_о.с. Вторым видом выражения для коэффициента усиления (К_о.с = R_о.с/ R₁ + 1) удобнее пользоваться при решении задач.

Использование сопротивлений R₁и R_о.с для того, чтобы подать часть выходного напряжения на вход, как это сделано в рассмотренном неинвертирующем усилителе, называют вве­дением обратной связи. Это – весьма важное понятие. Заметим, что сопротивление R₁ +R_о.сследует выбирать таким, чтобы общий ток нагрузки с учетом этого сопротивления не превышал максимального выходного тока усилителя.

Если надо задать коэффициент усиления с обратной связью неинвертирующего усилителя, когда R₁уже выбрано, следует разрешить выражение для коэффициента усиления с обратной связью относительно R_о.с:

К_о.с= R_о.с/ R₁ + 1, К_о.с – 1 = R_о.с/ R₁ так что R_о.с = R₁(К_о.с– 1).