Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель (ИУ) – это усилитель, обладающий стабильным (наперёд заданным) коэффициентом усиления с разностью фаз между входным и выходным сигналами 180°.

ИУ является основой построения большинства АЭУ. На его базе реализуются дифференциальные усилители постоянного тока, мостовые усилители, интеграторы, дифференциаторы, сумматоры и т.д., а также такие нелинейные схемы, как ограничители и логарифмические усилители.

Базовая схема ИУ приведена на рис. 5.1, т.е. ИУ – это ОУ, охваченный параллельной ООС.
Для этого вида ОС коэффициент передачи ЦОС равен (раздел 1.2) , где , а проводимость прямой передачи ЦОС, т.е.

. (5.1)

Если ОУ – идеален, т.е. имеет нулевой уровень статических ошибок, , и , то выражение для коэффициента передачи ИУ примет вид:

. (5.2)

Таким образом, коэффициент передачи ИУ не зависит от параметров ОУ (а значит – стабилен). Его можно менять в широких пределах путём соответствующего выбора величин внешних сопротивлений R ₁, R ₂.

Выражение (5.2) можно получить и не прибегая к теории ОС. Действительно, не инвертирующий вход заземлён и напряжение на нём равно 0 (рис 5.1). Так как К_д= ¥;, а выходное напряжение ОУ ограничено напряжением питания, то и входное напряжение (между “+” и ” - ” входами) также равно 0. Значит инвертирующий вход (узел а) – это потенциальная земля – узел, который постоянно находится под потенциалом земли, будучи практически незаземлённым. Ток i₁ втекает в инвертирующий вход и, так как R_ВХ = ¥;, то весь этот ток течёт через резистор R₂, создавая на нём падение напряжения . Поскольку левый вывод этого резистора заземлён (узел а), то , а , что совпадает с формулой (5.2).

Если , т.е. , то такой ИУ называется инвертором.

Выходное сопротивление ИУ при идеальном ОУ равно нулю, так как ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление.

Сопротивление R ₁ (рис. 5.1) имитирует как внутренне сопротивление источника сигнала, так и величину сопротивления резистора, который вводится в схему специально для получения требуемого коэффициента передачи ИУ, т.е. .

Поэтому, входное сопротивление ИУ

. (5.3)

Это следует из того, что правый по схеме вывод резистора R ₁ потенциально заземлен, и он оказывается включённым параллельно генератору источника сигнала.

Так как R _С имеет, как правило, неопределённое и нестабильное значение, то коэффициент передачи такой схемы не будет стабильным, что является недостатком схемы. Для его устранения необходимо выполнение условия , т.е. .

В отсутствии сигнала на выходе ОУ имеет место конечное постоянное напряжение, называемое выходной статической погрешностью (раздел 4.2.5 [1]). Величина этой погрешности для ИУ

. (5.4)

Для уменьшения погрешности от входных токов в схему вводят резистор , тогда

, (5.5)

где .

Таким образом, максимальное сопротивление резистора R ₂ ограничено допустимым значением выходной статической погрешности D u_ВЫХ. Для большинства современных ОУ R_2max = 100 кОм¼1 МОм.

Минимально допустимая величина R ₂ ограничена максимально допустимым выходным током ОУ. Обычно полагают, что

.

Например, у К140УД1А,Б I_{ВЫХ. max} = 3мА, U_{ВЫХ .max} = 6 В и R _2min = 20 кОм.

Для уменьшения потенциальной составляющей выходной статической погрешности U_см(R₂/R₁ + 1), т.е. для уменьшения U_СМ, на соответствующие выводы ОУ необходимо подать регулируемое постоянное напряжение. Конкретная схема настройки нуля определяется изготовителем ОУ. Если же у ОУ этих выводов нет, то балансировка схемы осуществляется по входу ОУ (рис. 5.2).

Данная схема не создаёт никаких побочных эффектов (влияние на коэффициенты передачи или температурный дрейф D u_ВЫХ). За счёт R_CM в схеме осуществлена и токовая балансировка, так как

кОм.