2.10. НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Несмотря на то что ОУ концентрирует в себе лучшие свойства усилительных устройств, непосредственно в качестве усилителя ОУ не применяется. Это связано с двумя причинами: во-первых, линейный участок АОВ на передаточной характеристике (см рис. 2.17) ограничен весьма малыми напряжениями . При увеличении входного напряжения за эти границы выходное напряжение не изменяется, т. е. наблюдаются нелинейные искажения сигнала. Во-вторых, коэффициент усиления ОУ меняется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах и очень сильно зависит от режима работы, в первую очередь от температуры, что обусловлено сильной зависимостью от температуры (3 транзисторов, входящих в состав ИМС. Эта нестабильность затрудняет создание усилительных устройств.

Для улучшения параметров усилительных устройств применяют ОУ с ОС. На рис. 2.18, а приведена схема неинвертирующего усилителя на базе ОУ. Входной сигнал подается на прямой вход ИМС. С выхода ОУ напряжение ОС подают на инвертирующий вход ОУ. Таким образом, на входах ОУ действует входное напряжение и напряжение , т. е. речь идет об ОС со сложением напряжений, называемой также последовательной ОС. Выходное напряжение ОУ определяется разностью , такая ОС называется отрицательной (ООС) (см. § 2.3).

Найдем коэффициент усиления схемы рис. 2.18, а. При этом полагаем, что (эти условия в реальных ОУ легко выполняются). Напряжение ОС

где .

Выходное напряжение определяется разностью напряжений на входах ОУ:

Отсюда формула для расчета ОУ с ООС имеет вид

ООС уменьшает коэффициент усиления, так как на входе усилителя действует не напряжение , а меньшее значение . Поскольку в ОУ очень велико, то из (2.23) при получаем

т. е. определяется лишь отношением сопротивлений , и не зависит от

Таким образом, введение ООС позволяет стабилизировать коэффициент усиления ИМС. Действительно, если ИМС уменьшится, уменьшатся значения возрастет разность , что приведет к возрастанию , компенсирующему первоначальное уменьшение выходного напряжения.

Формула (2.24) может быть получена другим путем, что позволит нам познакомиться с характерным расчетным приемом, применяемым при анализе схем на ОУ. Выходное напряжение ОУ , а коэффициент усиления ИМС , следовательно, . Отсюда с учетом (2.22) следует (2.24). В режиме линейного усиления напряжение между входами ОУ очень мало, — это свойство проявляется в любых схемах включения ОУ и широко используется при анализе.

Хотя коэффициент усиления схемы зависит лишь от соотношения сопротивлений , это не означает, что они могут быть выбраны совершенно произвольно. Минимальное сопротивление резисторов в схемах ОУ ограничено нагрузочной способностью ИМС. Максимальное сопротивление резистора ограничено, потому что протекающие через высокоомные резисторы малые токи будут соизмеримы со входными токами ОУ и это усилит воздействие неидеальности ОУ на работу схемы (см. подробнее об этом в § 2.13). В практических схемах сопротивление находится в пределах Ом.

Стабилизация коэффициента усиления ОУ за счет введения ОС приближает свойства усилителя к источнику ЭДС, т. е. выходное сопротивление схемы рис. 2.18, а меньше, чем выходное сопротивление самого ОУ: . Это еще одно достоинство, достигнутое за счет ОС. Входное сопротивление схемы рис. 2.18, а определяется , где — ток между входами ОУ: () , где — входное сопротивление собственно ОУ.

Поскольку , то , а входное сопротивление резко увеличивается: , что является достоинством усилителя с .

Выходное напряжение ОУ ограничено пределами . В схеме рис. 2.18, а режим линейного усиления соответствует входным напряжениям, ограниченным значением . Поскольку , передаточная характеристика ОУ с ОС имеет достаточно большую область линейного усиления (рис. ).

Наклон передаточной характеристики на линейном участке АОВ определяется коэффициентом усиления : линия 1 приведена для , линия 2 для . Таким образом, введение ОС позволяет расширить линейную область передаточной характеристики и уменьшить нелинейные искажения. На рис. 2.19 приведено входное напряжение , подаваемое на схему (рис. 2.18, а) и выходное напряжение схемы при различных коэффициентах усиления . Расширение области линейного усиления достигается за счет снижения коэффициента усиления. С этим эффектом мы уже сталкивались при рассмотрении усилительных каскадов, например схемы с (см. § 2.7), в которой также действует последовательная ООС по выходному напряжению.

Рис. 2.19. Форма сигналов на входе и выходе усилителя рис. 2.18 при различных коэффициентах усиления