Схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием
Базовая схема инвертирующего усилителя с двухполярным питанием выглядит вот так:
Здесь мы видим два резистора и сам ОУ . На вход подаем сигнал, а с выхода уже снимаем усиленный сигнал. Как можно заметить, НЕинвертирующий вход ОУ заземлен. Как же работает схема? Здесь мы видим обратную связь. То есть с выхода сигнал подается обратно на вход через резистор R2. Наш усилитель является инвертирующим, так как сигнал на выходе на 180 градусов сдвинут по фазе относительно входного сигнала. Значит, в узле, где соединяются два резистора и инвертирующий вход, выходной сигнал будет приходить со знаком «минус». Такая обратная связь называется о трицательной о братной с вязью (ООС). Она уменьшает высокий коэффициент усиления ОУ до нужных нам значений.
В НЕинвертирующем усилителе обратная связь идет по напряжению , а в инвертирующем усилителе — по току .
Если вы читали статью про ОУ, то, наверное, помните, что если один из входов ОУ соединен с землей, то и другой вход имеем точно такой же потенциал. В данном случае НЕинвентирующий вход у нас соединен с землей, следовательно, на инвертирующем входе будет точно такой же потенциал, то есть 0 Вольт. Такой вход еще называют мнимой (виртуальной) землей . Как говорит на Википедия, «мнимый — это фальшивый, поддельный, ложный».
Коэффициент усиления по напряжению любого усилителя выражается формулой
Итак, что получаем в итоге?
Входное напряжение из формулы выше
Но так как наш усилитель инвертирует входной сигнал, следовательно, на выходе у нас будет напряжение со знаком «минус», то есть -Uвых .
В этом случае ток I 2 будет выражаться формулой:
Отсюда находим коэффициент усиления
В некоторых случаях током смещения можно пренебречь, если он не оказывает сильного влияния на ваши требования по сигналу. Но если все-такивы разрабатываете какое-либо точное устройство, где выходной сигнал должен строго вписываться в рамки ТЗ, то в этом случае можно прибегнуть к таким способам:
1) Ставить в цепь обратной связи резистор малого номинала .
На малом сопротивлении падает малое напряжение. Следовательно, на выходе уже будет меньшее постоянное напряжение. Стандартный диапазон резисторов от нескольких килоом и до 50 кОм.
2) Ввести в схему компенсирующий резистор
В этом случае он будет определяться по формуле:
Если все-таки выходной сигнал соответствует вашим ожиданиям и без R К , то лучше его не ставить, так как любой резистор вносит шумовые искажения в сигнал. Зачем лишний раз добавлять в схему шум?
3) Использовать ОУ с входными цепями, построенными на полевых транзисторах , либо подбирать ОУ с малыми токами смещения, благо сейчас технологии производства таких ОУ далеко шагнули вперед.
Инвертирующий усилитель с однополярным питанием
В некоторых случаях нам даже иногда нужно переместить нулевой уровень на более высокий «пьедестал», чтобы мы могли полностью усиливать сигнал, если дело касается однополярного питания. Работать с однополярным питанием всегда проще и удобнее, чем с двухполярным. Поэтому, в этом случае надо поднять нулевой уровень на некоторый пьедестал, чтобы полностью усиливать переменный сигнал. То есть добавить постоянную составляющую в сигнал. В этом случае схема примет чуть-чуть другой вид:
Как можно увидеть, сейчас мы питаем наш ОУ однополярным питанием. Что будет, если мы НЕинвертирующий выход посадим на землю?
То есть мы получили базовую схему инвертирующего усилителя, но только с однополярным питанием. Давайте ппросимулируем такую схему. Коэффициент усиления в данном случае будет равен-10, так как мы взяли соотношение резисторов 10 килоом и 1 килоом. Загоняю на вход сигнал амплитудой в 1 В.
Что имеем в итоге на виртуальном осциллографе?
Как вы видите, в этом случае усиленная полуволна сигнала вырезается полностью. Оно и понятно, так как напряжение питания у нас однополярное и проломить «пол» нулевого потенциала невозможно. Но можно сделать одну хитрость: поднять «уровень пола» и дать сигналу место для размаха.
В этом случае нам надо добавить U см , для того, чтобы поднять сигнал над уровнем «пола». Но не все так просто, дорогие друзья!
Здесь уже будет использоваться более хитрая формула, а не просто вольтдобавка. Приблизительная формула выглядит вот так:
Итак, мы хотим усилить наш сигнал полностью без среза. Какое же должно быть значение U вых ? Оно должно иметь значение половины U пит , чтобы сигнал ходил туда-сюда без срезов. Но также надо учитывать и коэффициент усиления, иначе получится насыщение выхода, о чем мы писали выше.
В нашем случае мы хотим увеличить сигнал амплитудой в 1 В в 10 раз. То есть U пит должно быть как минимум 20 Вольт. Так как ОУ поддерживают однополярное питание до 32 В, то давайте для красоты выставим U пит = 30 В. Рассчитываем U см :
Проверяем симуляцию, все ок!
Как здесь можно увидеть, желтый выходной сигнал поднялся над нулевым уровнем и усилился без искажений. В данном случае желтый сигнал — это сумма постоянного напряжения и переменного синусоидального сигнала.
То есть получилось что-то типа вот этого:
Хорошо это или плохо, когда в переменном сигнале есть постоянная составляющая, то есть постоянное напряжение? В некоторых случаях это плохо, потому как такой сигнал трудно использовать, и поэтому чаще всего его прогоняют через конденсатор, так как он пропускает через себя только переменный ток и блокирует прохождение постоянного тока. А еще лучше поставить фильтр из дифференцирующей цепи , с помощью которого можно отсекать лишние частоты.
Свойства инвертирующего усилителя
- выходной сигнал усилителя инвертирован по отношению ко входному сигналу
- входное сопротивление такого усилителя равняется сопротивлению R1
- выходное сопротивление очень мало
Принцип работы можете увидеть на видео:
