Схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей показаны на рисунках. В обеих схемах операционный усилитель (ОУ) охвачен отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению, то есть на инвертирующий вход ОУ подается часть выходного напряжения. В случае инвертирующего усилителя входной сигнал и сигнал ООС суммируется с помощью резисторов R1 и R2. Такая обратная связь называется параллельной. Обратная связь используемая в неинвертирующем усилителе, носит название последовательной, здесь дифференциальное входное напряжение ОУ образуется непосредственно как разность входного напряжения и напряжения обратной связи.
Коэффициент обратной связи для обеих схем определяется следующим выражением:
β = R1/(R1+R2)
Коэффициент усиления для инвертирующего усилителя определяется из следующей формулы:
Kи = — R2/R1
Для неинвертирующего усилителя коэффициент усиления равен:
Ки = R2/R1+1
На третьем рисунке показана схема повторителя напряжения, то есть у него коэффициент обратной связи и коэффициент усиления равен 1. Повторитель напряжения как правило применяют когда необходимо повысить входное сопротивление или снизить выходное сопротивление.
Резисторы, используемые в данных схемах, имеют типичное сопротивление порядка кОм. Использование резисторов с сопротивлением менее 1 кОм нежелательно, так как они могут вызвать чрезмерный ток, перегружающий выход ОУ. Резисторы более 1 МОм могут внести повышенный тепловой шум и сделать схему чувствительной к случайным ошибкам вследствие токов смещения.
Простейший дифференциальный усилитель показанный на рисунке содержит один ОУ, и предназначена для получения разности двух напряжений, при этом каждое из них предварительно умножается на некоторую константу (константы определяются резисторами).
Выходное напряжение дифференциального усилителя определяется исходя из следующей формулы:
Если принять, что R3/R4=R1/R2 выходное напряжение будет равно:
Недостатком простейшего дифференциального усилителя являются низкие входные сопротивления и трудность регулировки коэффициента усиления. Регулировка 
коэффициента усиления возможна только путем одновременного изменения сопротивления двух резисторов R2 и R4.
На следующем рисунке показана схема усовершенствованного дифференциального усилителя, в котором коэффициент усиления можно изменить при помощи одного резистора R7.
При условии, что R4=R1, R5=R2, а R6=R3, выходное напряжение определяется следующей формулой:
Следующая схема имеет более лучшие характеристики, такие усилители имеют более высокое входное сопротивление по обеим входам и так же как в предыдущей схеме, при помощи одного резистора (R1) можно изменить коэффициент усиления одновременно обеих ОУ.
При условии, что R2/R3=R5/R4 выходное напряжение определяется исходя из следующей формулы:
Далее рассмотрим несколько разновидностей усилителей с отрицательной обратной связью. Наряду с базовыми схемами существуют различные модификации схем инвертирующих, неинвертирующих и дифференциальных усилителей. Например усилитель с Т-образной цепью ООС показанный на рисунке.
В схемах используются Т-образный трехполюсник в 
качестве цепи обратной связи, который состоит из резисторов R2 R3 и R4. Такой вариант схемы дает возможность уменьшить диапазон сопротивлений, необходимый для получения заданных коэффициентов усиления. Например в ранних схемах для получения коэффициента усиления равный 100 необходимо соотношение резисторов в цепи обратной связи примерно в 100 раз, а данная схема при таком же коэффициенте усиления имеет соотношение сопротивлений цепи обратной связи равным 10.
Формула коэффициента усиления для инвертирующего усилителя будет иметь следующий вид:
И для неинвертирующего усилителя:
Еще одной разновидность усилителей являются усилители переменного напряжения. Когда необходимо усилить только переменную составляющую входного сигнала, то во входные цепи обычно
подключат разделительные конденсаторы.
На первом рисунке показана схема простейшего дифференциального усилителя переменного напряжения. При R4=R2, R3=R1 а C2=C1 нижняя граничная частота такого усилителя по уровню 3 дБ равна 1/(2*Пи*R1*C1) как для сигнала U1, так и для сигнала U2.
Верхняя граничная частота зависит от параметров цепей частотной коррекции ОУ.
Для построения неинвертирующего усилителя переменного напряжения часто применяют схему показанную ан втором рисунке. Ее достоинство в том, что она имеет высокое входное сопротивление. В данном случае неинвертирующий вход ОУ по постоянному току соединен с землей через последовательно включенные резисторы R3 R1. Если в рассматриваемой частотной полосе сопротивление конденсатора С1 достаточно мало, то переменное напряжение в точке соединения R1С1 будет таким же как и на инвертирующем входе ОУ. Поскольку напряжение на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ практически одинаково, то оказывается что напряжение на обеих входах резистора R3 почти равны. Вследствие чего этот ток через резистор R3 будет малым, а входное сопротивление усилителя большим.
Еще одной разновидностью усилителей на ОУ является усилители тока. Усилители тока предназначены для преобразования малых токов в напряжение. Самый простой способ преобразовать ток в напряжение, это пропустить ток через резистор с известным сопротивлением. Однако при малом значении тока появится необходимость в увеличении сопротивления резистора, что в свою очередь окажет нежелательное воздействие на измерительную цепь в которой происходит измерение, так же потребуется повышать входное сопротивление последующих каскадов, дополнительно увеличивается инерционность цепи, вызываемая действием паразитных емкостей.
Усилитель тока на основе ОУ позволяет в значительной степени избавится от выше перечисленных недостатков. Простейший усилитель тока показан на рисунке, он представляет собой инвертирующий усилитель без входного резистора. Источник тока представляет собой сопротивление Ri.
Для расчета коэффициента усиления источник тока может быть заменен последовательной цепью из источника напряжения и его внутреннего сопротивления Uвх = Iвх*Ri. Подставив в формулу IвхRвх вместо Uвх и Ri, получим:
где B — коэффициент обратной связи (B = R2/(R2+Ri)), если В>1, то Ki = — R2
Вследствие малого входного сопротивления усилитель тока практически не оказывает обратного влияния на цепь в которой измеряется ток.
Если ток имеет очень малое значение, то потребуется увеличение коэффициента усиления усилителя, для этого необходимо увеличить сопротивление R2, но для того чтобы избежать слишком больших сопротивлений целесообразно использовать усилитель с Т-образной цепью отрицательной обратной связью который описывался ранее в статье.
Коэффициент усиления такого усилителя будет равен:
Ki = R2 + R3 +R2R3/R4
Усилители с транзисторным выходным каскадом.
Если от усилителя необходимо получить более мощный выходной сигнал, чем тот который может обеспечить ОУ, то усилитель дополняют транзисторным выходным каскадом.
В простейшем случае это может быть эмиттерный повторитель, составленный из двух транзисторов разной проводимости, базы которых соединены с выходом ОУ, эмиттеры к нагрузке, а коллекторы к шинам питания. Для уменьшения нелинейных искажений в таком каскаде можно задать некоторый начальный ток через транзисторы эмиттерного повторителя. Подобная схема показана на рисунке.
В первой схеме эмиттерный повторитель выполнен на транзисторах VT3 VT4. Транзисторы VT1 VT2 выполняют роль источников тока. Использование светодиодов для задания напряжений на базах VT1 VT2 и диодов VD3 VD4 для задания напряжений на базах VT3 VT4 обеспечивают термостабилизацию каскада.
В усилителе показанном на втором рисунке для связи ОУ с транзисторным выходным каскадом используется свойство ОУ изменять ток потребления в зависимости от тока нагрузки. Выходной каскад ОУ работает в режиме АВ или В и поэтому выходной ток ОУ в значительной степени определяет ток, потребляемый от соответствующего источника питания. Это дает возможность в качестве входного сигнала транзисторного каскада использовать напряжение, пропорциональное току потребления ОУ.
Выходной каскад изображенный на втором рисунке, здесь построен на транзисторах VT3 VT4 и питается от напряжения +/-30В, что обеспечивает для ОУ стандартные напряжения питания +/-15В. Резисторы, включенные в коллекторные цепи этих транзисторов, используются для получения напряжений, зависящих от токов потребления ОУ. Резистор 47 Ом присоединенный к выходу ОУ, обеспечивает нужную зависимость этих токов от входного сигнала ОУ. Конденсатор соединяющий выход ОУ с выходом транзисторного каскада (4700 пФ), предназначен для коррекции частотной характеристики усилителя. Транзисторы VT5 VT6 предохраняют каскад от выхода из строя при коротком замыкании в нагрузке. Увеличение выходного тока каскада приводит к увеличению падения напряжения на резисторах с сопротивление 1 Ом, подсоединенных к эмиттерам транзисторов VT4 VT4. Вследствие этого транзисторы VT5 VT6 открываются, что препятствует дальнейшему увеличению коллекторных токов транзисторов VT3 VT4.
Источник — Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах (1988)
Загрузка...