Блог

Усилитель в электронике — это схема, которая принимает входной сигнал и выдает неискаженную большую версию сигнала на выходе. В этой статье мы поговорим о важной конфигурации операционного усилителя, называемой неинвертирующим усилителем. В неинвертирующих операционных усилителях вход подается на неинвертирующую клемму, а выход находится в фазе со входом.

Операционный усилитель, по сути, представляет собой многокаскадный дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления, который можно использовать несколькими способами. Две важные схемы типичного операционного усилителя:

• Инвертирующий усилитель
• Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель представляет собой схему операционного усилителя, которая создает усиленный выходной сигнал, и этот выходной сигнал неинвертирующего операционного усилителя находится в фазе с приложенным входным сигналом.

Другими словами, неинвертирующий усилитель ведет себя как схема повторителя напряжения. В неинвертирующем усилителе также используется соединение с отрицательной обратной связью, но вместо того, чтобы подавать весь выходной сигнал на вход, только часть напряжения выходного сигнала возвращается в качестве входа на инвертирующий вход операционного усилителя.

Высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс неинвертирующего усилителя делают эту схему идеальной для буферизации импеданса.

Идеальная схема неинвертирующего усилителя

Принципиальная схема идеального неинвертирующего усилителя показана ниже:

Из схемы видно, что R₂ (R_f на приведенной выше схеме) и R₁ (R₁ на приведенной выше схеме) действуют как делитель потенциала для выходного напряжения, а напряжение на резисторе R₁ прикладывается к инвертирующему входу.

Когда неинвертирующий вход подключен к земле, т.е. V_IN = 0, напряжение на клемме инвертирующего входа также должно быть на уровне земли; в противном случае любая разница напряжений между входными клеммами будет усиливаться, чтобы вернуть инвертирующую входную клемму к уровню земли (входы операционного усилителя всегда будут иметь одинаковое напряжение).

Поскольку инвертирующий вход находится на уровне земли, соединение резисторов R₁ и R₂ также должно быть на уровне земли. Это означает, что падение напряжения на резисторе R₁ будет равно нулю. В результате ток, протекающий через R₁ и R₂ , должен быть равен нулю. Таким образом, падение напряжения на резисторе R₂ равно нулю, поэтому выходное напряжение равно входному напряжению, равному 0 В.

Когда положительный входной сигнал подается на неинвертирующую входную клемму, выходное напряжение смещается, чтобы поддерживать инвертирующую входную клемму равной приложенному входному напряжению. Следовательно, на резисторе R₁ будет развиваться напряжение обратной связи:

 VR ₁ = V _IN = V _OUT R ₁ / (R ₁ + R ₂)

Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего операционного усилителя

Из приведенного выше уравнения V_IN относительно V_OUT коэффициент усиления по напряжению с обратной связью неинвертирующего усилителя A_CL можно рассчитать как:

A_CL = V_OUT / V_IN 

 = (R₁ + R₂) / R₁ 

 A_CL = 1 + (R₂ / R₁) 

или A_CL = 1 + (R_f / R₁)

Приведенное выше уравнение усиления является положительным, что указывает на то, что выходной сигнал будет синфазным с приложенным входным сигналом. Коэффициент усиления по напряжению замкнутого контура неинвертирующего усилителя определяется соотношением резисторов R₁ и R₂ , используемых в цепи.

На практике неинвертирующие усилители будут иметь резистор, включенный последовательно с источником входного напряжения, чтобы поддерживать одинаковый входной ток на обоих входных клеммах.

Виртуальное короткое замыкание

В неинвертирующем усилителе существует виртуальное короткое замыкание между двумя входными клеммами. Виртуальное короткое замыкание — это короткое замыкание по напряжению. Виртуальный шорт использует два свойства идеального операционного усилителя:

• Поскольку R_IN бесконечно, входной ток на обеих клеммах равен нулю.
• Поскольку усиление разомкнутого контура A_OL бесконечно, разность напряжений (V₁ – V₂) всегда равна нулю.

Хотя виртуальное короткое замыкание является идеальным приближением, оно дает точные значения при использовании сильной отрицательной обратной связи. Пока операционный усилитель работает в линейной области (не в режиме насыщения, положительно или отрицательно), коэффициент усиления по напряжению без обратной связи приближается к бесконечности, и между двумя входными клеммами существует виртуальное короткое замыкание.

Из-за виртуального короткого замыкания инвертирующее входное напряжение следует за неинвертирующим входным напряжением. Если неинвертирующее входное напряжение увеличивается или уменьшается, инвертирующее входное напряжение немедленно увеличивается или уменьшается до того же значения. Это действие часто называют «самозагрузкой».

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Входное сопротивление схемы операционного усилителя определяется как:

Z _IN = (1 + _AOL β) Z _i

Где _AOL — коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи.

Zi — входное сопротивление операционного усилителя без обратной связи.

β — коэффициент обратной связи.

Для неинвертирующего усилителя коэффициент обратной связи определяется как:

β = R₂ / (R₁ + R₂) 

 β = 1 / A_CL 

Следовательно, для схемы неинвертирующего усилителя входное сопротивление определяется уравнением:

Z _IN = {1 + (A _OL / A _CL )} Zi

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя

Выходное сопротивление операционного усилителя выражается как:

Z_OUT = Z₀ / (1+ A_OL β)

Поскольку β = 1 / A _CL для неинвертирующего усилителя, импеданс определяется как:

Z_OUT = Z₀ / {1 + (A_OL / A_CL)} 

Цепь повторителя напряжения

Повторитель напряжения — это одно из самых простых применений операционного усилителя, где выходное напряжение точно такое же, как и входное напряжение, подаваемое на схему. Другими словами, коэффициент усиления схемы повторителя напряжения равен единице.

Выход операционного усилителя напрямую подключен к инвертирующей входной клемме, а входное напряжение подается на неинвертирующую входную клемму. Повторитель напряжения, как и неинвертирующий усилитель, имеет очень высокий входной импеданс и очень низкий выходной импеданс. Принципиальная схема повторителя напряжения показана ниже:

Можно видеть, что приведенная выше конфигурация аналогична схеме неинвертирующего усилителя, за исключением того, что в ней не используются резисторы. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется как:

А _CL = 1 + (R ₂ / R ₁)

В повторителе напряжения резистор R₂ равен нулю, а R₁ бесконечно. Таким образом, усиление повторителя напряжения будет равно 1. Следовательно, повторитель напряжения можно назвать буфером единичного усиления.

Повторитель напряжения или буферная схема с единичным коэффициентом усиления обычно используются для изоляции различных цепей, т.е. для отделения одного каскада схемы от другого, а также используются для согласования импеданса.

На практике выходное напряжение повторителя напряжения не будет точно равно приложенному входному напряжению, и будет небольшая разница. Эта разница обусловлена ​​высоким коэффициентом усиления по внутреннему напряжению операционного усилителя.

Коэффициент усиления по напряжению без обратной связи операционного усилителя бесконечен, а коэффициент усиления по напряжению с обратной связью повторителя напряжения равен единице. Это означает, что, тщательно выбирая компоненты обратной связи, мы можем точно контролировать коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.

Пример неинвертирующего усилителя

Для неинвертирующего усилителя, показанного на схеме ниже, можно рассчитать следующее:

• Коэффициент усиления усилителя, A_CL
• Выходное напряжение, V_O
• Ток через нагрузочный резистор I_L
• Выходной ток I_O

Узел A находится на неинвертирующей клемме операционного усилителя, а узел B — на инвертирующей клемме (которая также является точкой делителя напряжения). Эти узлы не показаны на схеме выше.

Ответ: Потенциал в узле B равен V_IN и из-за виртуального короткого замыкания:

V_A = V_B = V_IN = 0.8 V 

Текущий I1 задается как:

 I₁ = V_A / R₁ = 0.8V / 10 KΩ 

 I₁ = 80 µA

Поскольку входной ток операционного усилителя равен нулю, тот же I₁ должен протекать через резистор R_f .

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

A_CL = 1 + (R_f / R₁) = 1 + (20 KΩ / 10 KΩ) 

 A_CL = 3 

Выходное напряжение:

V_O = A_CL * V_IN = 3 * 0.8V 

 V_O = 2.4 V

Ток через нагрузочный резистор:

 I_L = V_O / R_L = 2.4 / (2 * 10³ Ω) 

 I_L = 1.2 mA 

выходной ток:

Из действующего закона Кирхгофа (KCL),  I_O = I₁ + I_L​ 

 I_O = 80 µA + 1.2 mA​ 

 I_O = 1.28 mA​ 

Итог

В неинвертирующем усилителе используется отрицательная обратная связь с делителем напряжения. Коэффициент усиления по напряжению всегда больше единицы. Коэффициент усиления по напряжению положительный, что указывает на то, что для входа переменного тока выходной сигнал совпадает по фазе с входным сигналом, а для входа постоянного тока полярность выхода совпадает с полярностью входа. Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего операционного усилителя зависит только от номиналов резисторов и не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи.

Желаемый коэффициент усиления по напряжению можно получить, выбрав соответствующие номиналы резисторов. В следующей статье мы с вами поговорим о суммирующем усилителе.

С Уважением, МониторБанк