6.3. НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ

Если в качестве цепи обратной связи использовать простейшии делитель напряжения и производить операцию вычитания напряжений с помощью дифференциальных входов операционного усилителя, то получится изображенная на рис. 6.9 базовая схема охваченного обратной связью неинвертирующего усилителя. Коэффициент обратной связи к равен

При допущении идеальности характеристик операционного усилителя коэффициент усиления определяется формулой

Величина А для случая конечного значения дифференциального коэффициента усиления усилителя уже была получена в виде формулы (6.8).

Рис. 6.9. Неинвертируюший усилитель

При использовании реального операционного усилителя операция вычитания осуществляется неидеально, так как коэффициент ослабления синфазного сигнала имеет конечную величину. Для более точного определения результирующего коэффициента усиления рассмотрим выражение (6.4) и положим напряжение смещения равным нулю; при имеем

Если получается приведенное выше выражение.

Важным особым случаем неинвертирующего усилителя является случай, когда

Схема такого усилителя изображена на рис. 6.10. Из формулы (6.15) получаем коэффициент усиления для этой схемы, равный Подобная схема включения операционного усилителя называется следящей.

Рис. 6.10. Следящая схема

Она используется, как и схема эмиттерного повторителя, в качестве преобразователя сопротивления. Существенным преимуществом такой схемы является то, что разница между выходным и входным напряжениями составляет всего несколько милливольт.

Влияние напряжения смещения может быть исследовано по схеме замещения, представленной на рис. 6.11.

Рис. 6.11. Схема замещения с учетом влияния напряжения смещения.

Легко видеть, что в схемах на рис. 6.9 и 6.10 напряжение смещения оказывается приложенным последовательно с входным напряжением. Таким образом, как и входное напряжение, оно будет усиливаться в А раз.

Входное сопротивление

Для определения результирующего входного сопротивления необходимо рассмотреть схему замещения операционного усилителя с включенной обратной связью, изображенного на рис 6.5. Такая схема представлена на рис. 6.12. Благодаря наличию обратной связи к сопротивлению приложено очень малое напряжение

Рис. 6.12. Схема замещения с учетом действия входных сопротивлений.

Таким образом, через это сопротивление протекает только ток, равный Поэтому дифференциальное входное сопротивление благодаря действию обратной связи умножается на коэффициент Такая обратная связь называется потенциометрической. Согласно рис. 6.13, для результирующего входного сопротивления имеем

Эта величина даже для операционных усилителей с биполярными транзисторами на входах превышает Ом. Следует, однако, помнить, что речь здесь идет исключительно о дифференциальной величине; это значит, что изменения тока малы, тогда как среднее значение входного тока может принимать несравненно большие значения.

Соотношение параметров схемы можно проиллюстрировать числовым примером. Допустим, что имеется источник сигналов с внутренним сопротивлением Пусть также погрешность, вносимая усилителем вследствие конечной величины входного сопротивления, не должна превышать 0,1%. Тогда можно записать следующее требование к входному сопротивлению усилителя;

Такое входное сопротивление, согласно данным табл. 6.1, может быть достигнуто при использовании операционного усилителя типа 741. Однако его входной ток при отсутствии сигнала, составляющий протекая через источник сигналов, вызовет на нем дополнительное падение напряжения В принципе это падение напряжения можно компенсировать, выбрав внутреннее сопротивление делителя напряжения, включенного в цепь обратной связи усилителя, равным

величине При этом останется только влияние разности входных токов усилителя. Этот метод, однако, редко приводит к желаемому результату, так как часто внутреннее сопротивление источника сигнала заранее точно не известно, поэтому более целесообразно при наличии источника сигнала с сопротивлением свыше использовать операционные усилители с полевыми транзисторами на входах. Такое решение целесообразно также и потому, что операционные усилители с входными полевыми транзисторами имеют лучшие характеристики шума при работе от высокоомного источника сигнала.

Выходное сопротивление

Как видно из табл. 6.1, реальные операционные усилители довольно далеки от идеала в отношении выходного сопротивления. Оно, правда, может быть в значительной степени уменьшено путем применения обратной связи. Снижение выходного напряжения, вызываемое подключением нагрузки, передается на N-вход усилителя через делитель напряжения Возникающее при этом увеличение компенсирует изменение выходного напряжения.

Выходное сопротивление операционного усилителя, не охваченного обратной связью, определяется соотношением

Для усилителя, охваченного обратной связью, в соответствии со схемой на рис. 6.9 эта формула принимает вид

При работе усилителя, охваченного обратной связью, величина при изменении нагрузки не остается постоянной, а изменяется на величину

Для усилителя с линейной передаточной характеристикой изменение выходного напряжения составляет

Величиной тока, ответвляющегося в делитель напряжения обратной связи, в данном случае можно пренебречь. Подставив величину из выражения (6.18), получим искомый результат:

При заданных коэффициенте усиления и дифференциальном коэффициенте усиления выходное сопротивление охваченного обратной связью операционного усилителя снизится с до 0,1 Ом. Вышеизложенное, вообще говоря, справедливо в пределах полосы рабочих частот в ограниченной частотой операционного усилителя, что соответствует снижению уровня выходного сигнала на На более высоких частотах выходное сопротивление операционного усилителя с обратной связью будет увеличиваться, так как величина уменьшается со скоростью на декаду. При этом оно приобретает индуктивный характер и на более высоких частотах становится равным величине выходного сопротивления усилителя без обратной связи.