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 Uвх и Uос подаются на разные входы, то для идеального ОУ можно записать:
Uвх = UвыхR 1/(R 1 + Rос),
откуда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:
KU неинв = 1 + Rос / R 1,
или
KU неинв = 1 + | KU инв |.
Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ полученные выражения справедливы при глубине ООС F>10.
Входное сопротивление неинвертирующего усилителя Rвх неинв велико и определяется глубокой последовательной ООС и высоким значением RвхОУ:
Rвх неинв = RвхОУ · F = RвхОУ · KU ОУ / KU неинв.
Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ определяется как для инвертирующего, т.к. в обоих случаях действует ООС по напряжению:
Rвых неинв = RвыхОУ / F = RвыхОУ / KU неинв / KU ОУ.
Расширение полосы рабочих частот в неинвертирующем усилителе достигается также, как и в инвертирующем, т.е.
fвОС = fT / KU неинв.
Для снижения токовой ошибки в неинвертирующем усилителе, аналогично инвертирующему, следует выполнить условие:
Rг = R 1∥ Rос.
Неинвертирующий усилитель часто используют при больших Rг (что возможно за счет большого Rвх 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 ⇒ Rос ⇒ инвертирующий вход ОУ) приводит к увеличению Uош, что является недостатком рассматриваемого усилителя.
При увеличении глубины ООС возможно достижение KU неинв =1, т.е. получение неинвертирующего повторителя, схема которого приведена на рисунке 6.9.
Рисунок 6.9. Неинвертирующий повторитель на ОУ
Здесь достигнута 100% ПООСН, поэтому данный повторитель имеет максимально большое входное и минимальное выходное сопротивления и используется, как и любой повторитель, в качестве согласующего каскада. Для неинвертирующего повторителя можно записать:
Uош ≈ Uсм + Iвх срRг ≈ Iвх срRг,
т.е. напряжение ошибки может достигать довольно большой величины.
На основе рассмотренного неинвертирующего УПТ также возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений Mн (см. подраздел 2.5).
Помимо инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ выполняются различные варианты УУ, некоторые из них будут рассмотрены ниже.
Разновидности УУ на ОУ
На основе ОУ может быть выполнен разностный (дифференциальный) усилитель, схема которого приведена на рисунке 6.10.
Рисунок 6.10. Разностный усилитель на ОУ
Разностный усилитель на ОУ можно рассматривать как совокупность инвертирующего и неинвертирующего вариантов усилителя. Для Uвых разностного усилителя можно записать:
Uвых = KU инвUвх 1 + KU неинвUвх 2 R 3/(R 2 + R 3).
Как правило, R 1= R 2 и R 3= Rос, следовательно, R 3/ R 2= Rос / R 1= m. Раскрыв значения коэффициентов усиления, получим:
Uвых = m (Uвх 2 – Uвх 1),
Для частного случая при R 2= R 3 получим:
Uвых = Uвх 2 – Uвх 1.
Последнее выражение четко разъясняет происхождение названия и назначение рассматриваемого усилителя.
В разностном усилителе на ОУ при одинаковой полярности входных напряжений имеет место синфазный сигнал, который увеличивает ошибку усилителя. Поэтому в разностном усилителе желательно использовать ОУ с большим КОСС. К недостаткам рассмотренного разностного усилителя можно отнести разную величину входных сопротивлений и трудность в регулировании коэффициента усиления. Эти трудности устраняются в устройствах на нескольких ОУ, например, в разностном усилителе на двух повторителях (рисунок 6.11).
Рисунок 6.11. Разностный усилитель на повторителях
Данная схема симметрична и характеризуется одинаковыми входными сопротивлениями и малым напряжением ошибки, но работает только на симметричную нагрузку.
На основе ОУ может быть выполнен логарифмический усилитель, принципиальная схема которого приведена на рисунке 6.12.
Рисунок 6.12 Логарифмический усилитель на ОУ
P-n переход диода VD смещен в прямом направлении. Полагая ОУ идеальным, можно приравнять токи I 1 и I 2. Используя выражение для ВАХ p-n перехода { I = I 0·[exp(U / φT)–1]}, нетрудно записать:
Uвх / R = I 0·[exp(U / φT) – 1],
откуда после преобразований получим:
Uвых = φT ·ln(Uвх / I 0 R) = φT (ln Uвх – ln I 0 R),
из чего следует, что выходное напряжение пропорционально логарифму входного, а член ln I 0 R представляет собой ошибку логарифмирования. Следует заметить, что в данном выражении используются напряжения, нормированные относительно одного вольта.
При замене местами диода VD и резистора R получается антилогарифмический усилитель.
Широкое распространение получили инвертирующие и неинвертирующие сумматоры на ОУ, называемые еще суммирующими усилителями или аналоговыми сумматорами. На рисунке 6.13 приведена принципиальная схема инвертирующего сумматора с тремя входами. Это устройство является разновидностью инвертирующего усилителя, многие свойства которого проявляются и в инвертирующем сумматоре.
Рисунок 6.13. Инвертирующий сумматор на ОУ
При использовании идеального ОУ можно считать, что входных токов усилителя, вызванных входными напряжениями Uвх 1, Uвх 2 и Uвх 3, равна току, протекающему по Rос, т.е.
Uвх 1/ R 1 + Uвх 2/ R 2 + Uвх 3/ R 3 = – Uвых / Rос,
откуда
Из полученного выражения следует, что выходное напряжение устройства представляет собой сумму входных напряжений, умноженную на коэффициент усиления KU инв. При Rос = R 1= R 2= R 3 KU инв =1 и Uвых = Uвх 1+ Uвх 2+ Uвх 3.
При выполнении условия R 4= Rос ∥ R 1∥ R 2∥ R 3 токовая ошибка мала, и ее можно рассчитать по формуле Uош = Uсм (KU ош +1), где KU ош = Rос /(R 1∥ R 2∥ R 3) — коэффициент усиления сигнала ошибки, который имеет большее значение, чем KU инв.
Неинвертирующий сумматор реализуется также как и инвертирующий сумматор, но для него следует использовать неинвертирующий вход ОУ по аналогии с неинвертирующим усилителем.
При замене резистора Rос конденсатором C (рисунок 6.14) получаем устройство, называемое аналоговым интегратором или просто интегратором.
Рисунок 6.14. Аналоговый интегратор на ОУ
При идеальном ОУ можно приравнять токи I 1 и I 2, откуда следует:
или
Точность интегрирования тем выше, тем больше Ku ОУ.
Кроме рассмотренных УУ, ОУ находят применение в целом ряде устройств непрерывного действия, которые будут рассмотрены ниже.