4.2.3 Схемы на операционном усилителе

На основе ОУ можно построить радиоэлектронные устройства, выполняющие различные преобразования сигналов – линейные и нелинейные. Для этого к ОУ подключают внешние цепи, с помощью которых часть напряжения с выхода усилителя подается на один из его входов. Такие цепи называются цепями обратной связи (ОС).

Обратная связь называется отрицательной (ООС), если в устройстве с ОС входная величина уменьшается. В противном случае обратная связь называется положительной. Положительная обратная связь в усилителях используется для генерации электрических колебаний. ООС широко используется в усилителях и позволяет создавать на основе усилителей устройства различного функционального назначения.

Рассмотрим это свойство усилителей с отрицательной обратной связью на примере операционного усилителя и убедимся, что разнообразие цепей обратной связи позволяет получать различные преобразования сигналов.

4.2.3.1 Инвертирующая схема включения операционного усилителя

Один из вариантов подключения цепи обратной связи к ОУ показан на рис.4. Под и в общем случае понимаются произвольные элементы электрической цепи: резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы, диоды и соединения этих элементов в двухполюсник.

Uп1 uсигн Z1 Z2 i1 i2 uвых iвх uвх C D A B

Рис.4. Инвертирующая схема включения операционного усилителя

В схеме вход «+» ОУ заземлен ( ), сигнал поступает на инвертирующий вход «–», поэтому такая схема называется инвертирующим включением ОУ.

Из рис. 4 видно, что цепь – внутреннее сопротивление источника сигнала подключена параллельно выходу ОУ. Поэтому в этой цепи течет ток, обусловленный . Падение напряжения, создаваемое этим током на элементе , действует во входной цепи и является напряжением обратной связи.

Найдем преобразование сигнала схемой. Обозначим токи, текущие через элементы и как и соответственно, а ток на входе ОУ – . Положительные направления токов показаны стрелками.

Из второго закона Кирхгофа для двух замкнутых контуров – ABCA и ADBA и первого закона Кирхгофа для узла тока в точке A следует:

	(2)
	(3)
	(4)

Перечисленные в разделе 4.2.2 свойства ОУ позволяют перейти к приближенным, но более простым уравнениям. Если пренебречь малым значением , можно ввести понятие идеального операционного усилителя, у которого коэффициент усиления и входное сопротивление имеют бесконечно большие значения, то есть и . Это равносильно тому, что напряжение и ток на входе идеального операционного усилителя равны нулю, то есть

и .

В этих приближениях, пренебрегая в (2) – (4) слагаемыми и , получаем:

	(5)
	(6)
	(7)

Соотношения (5) – (7) определяют связь между выходным напряжением и сигналом, то есть передаточную характеристику схемы. Из них следует, что передаточная характеристика схемы не зависит от параметров самого операционного усилителя, а определяется только элементами цепи обратной связи. Подчеркнем, что соотношения (5) – (7) являются точными только для идеального ОУ.

Практическая независимость выходного сигнала от собственных параметров ОУ является важным свойством инвертирующей схемы. Действительно, это позволяет путем простого изменения элементов цепи обратной связи создавать радиотехнические устройства, выполняющие различные преобразования сигнала. Не менее важно, что отмеченное свойство обеспечивает низкую чувствительность схем на ОУ к разбросу параметров самого ОУ в достаточно широких пределах. Это повышает надежность устройств на операционных усилителях, обеспечивая их высокое качество.

Рассмотрим некоторые конкретные цепи обратной связи в инвертирующей схеме включения.