В чем различие между инвертирующим и неинвертирующим усилителем

какая разница между инвертирующий и не инвертирующий ОУ с отрицательной обратной связью

Нужно понять в чём разница инвертирующий и не инвертирующий ОУ-операционный усилитель с отрицательной обратной связью.

Лучший ответ

У инвертирующего входа входное сопротивление равно 0, это токовый вход. Чтобы он нормально работал, к нему обычно подключают входной резистор, который по закону Ома преобразует напряжение входного сигнала в ток, и определяет входное сопротивление.
У неинвертирующего входа входное сопротивление бесконечно велико.

Остальные ответы

Схемой включения. На какой из 2х диф. входов ты подал сигнал, а какой стал виртуальным «0». В итоге сигнал на выходе будет совпадать по фазе или отличаться на 180 гр.
Если ОУ рассмотреть без обратной связи, как копаратор, то оба входа начнутся эмиттерным или истоковым повторителем и их сопротивления одинаковы. Вся загвоздка в обратной связи, которая будучи отрицательной должна соеденить выход именно с инвертирующим входом.

Никакой, за исключением, при подаче на инвертирующий вход, сигнал на выходе сдвигается на 180градусов по сравнению с входным . Цепь отрицательной обратной связи как раз подключается к инвертирующему входу, что бы уменьшить коэффициент усиления до нужного значения .Без этой цепи коэффициент усиления ОУ достигает сотен тысяч . Вообще ОУ разрабатывались для аналоговых вычислительных машин, поэтому и имеют два дифференциальных входа, для сложения и вычитания заданных величин в виде электрического напряжения разной величины . На выходе получался результат сложения или вычитания . Так же решались и дифференциальные и интегральные уравнения .

Операционные усилители. Часть 1: Введение. Модель идеального операционного усилителя

Даже после появления цифровых вычислительных машин вычисления и обработка сигналов зачастую производились средствами аналоговой электроники. Основу этих устройств составляли операционные усилители.

Операционные усилители как класс появились в качестве унифицированных элементов аналоговых вычислительных машин (АВМ) после Второй Мировой войны. На них собирались звенья, производящие математические операции: сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.п. Слово «операционный» в названии появилось в силу этого факта. В качестве входного сигнала использовалось напряжение.

Вычисления могли быть достаточно сложными и требовать большого количества звеньев, что выдвигало достаточно жёсткие требования к унификации и стабильности характеристик операционных усилителей. Выполнение требований стабильности характеристик достигалось введением в схемы звеньев отрицательной обратной связи (ООС). Для унифицированных операционных усилителей применялась внешняя обратная связь. Характеристики такого звена определялись исключительно параметрами цепи обратной связи.

Массовое применение операционных усилителей началось со второй половины 60-х годов прошлого века, когда был налажен серийный выпуск относительно недорогих интегральных ОУ. Использование микросхем операционных усилителей стало тогда экономически целесообразным сначала в промышленной электронике, а затем и в бытовой технике.

В качестве КДПВ использована фотография советского аналога операционного усилителя LM101, одного из первых массовых интегральных ОУ.

▍ Идеальный операционный усилитель

Обычно операционный усилитель имеет два входа, инвертирующий и неинвертирующий, и один выход. ОУ усиливает разность напряжений на входах. Коэффициент передачи операционного усилителя с отключенной ООС – порядка 10 4 …10 6 (80…120 dB) в цепях постоянного тока.

Принцип действия ОУ наиболее наглядно раскрывается на модели «идеального операционного усилителя». Модель обладает следующими свойствами:

1. Входы идеального ОУ не оказывают влияния на входные сигналы и имеют бесконечно большое сопротивление и бесконечно малую ёмкость.
2. Выход идеального ОУ имеет нулевое сопротивление и может обеспечить на нагрузке любое напряжение и любой ток.
3. Коэффициент передачи идеального ОУ стремится к бесконечности и не зависит от частоты входных сигналов.
4. Время задержки распространения сигнала в идеальном ОУ равно нулю, сдвиг фаз отсутствует.
5. Охваченный ООС идеальный ОУ стремится установить равное напряжение на входах.

Схема операционного усилителя без обратной связи представлена ниже:

Идеальный ОУ, включенный без обратной связи, работает следующим образом: напряжение на выходе равно разности напряжений на входах, умноженной на коэффициент передачи идеального ОУ без обратной связи:

Выразим разность напряжений на входах идеального ОУ через напряжение на выходе и коэффициент передачи идеального ОУ без обратной связи:

(2)
где:	Uвых – напряжение на выходе ОУ;
Uвх+ – напряжение на неинвертирующем входе ОУ;
Uвх- – напряжение на инвертирующем входе ОУ;
Gо – коэффициент передачи ОУ с разомкнутым контуром обратной связи.

Поскольку, согласно свойству 3 модели идеального операционного усилителя коэффициент передачи G_о стремится к бесконечности, получаем подтверждение свойства 5 модели и для идеального ОУ, неохваченного ООС:

▍ Идеальный инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель является пропорциональным (усилительным) звеном. Он производит операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току. Цепь обратной связи состоит из делителя напряжения, собранного на резисторах R1 и R2:

Из свойства 5 модели следует, что напряжение на инвертирующем входе ОУ U_вх- равно напряжению на неинвертирующем входе U_вх+. Поскольку, неинвертирующий вход ОУ подключен к общему проводу, на инвертирующем входе образуется потенциал 0 В.

Согласно свойству 1 модели идеального операционного усилителя, инвертирующий вход ток не потребляет, следовательно, падение напряжения на резисторе R1 равно напряжению U_вх, падение напряжения на резисторе R2 равно напряжению U_вых, токи через резисторы делителя равны.

Получаем следующее соотношение:

из которого следует:

(5)
где:	Uвых – напряжение на выходе инвертирующего усилителя;
Uвх – напряжение на входе инвертирующего усилителя;
R1, R2 – сопротивления резисторов в цепи обратной связи инвертирующего усилителя.

Согласно формуле (5), коэффициент передачи инвертирующего усилителя:

Из формулы (6) видно, что коэффициент передачи идеального инвертирующего усилителя может быть в пределах от 0 до — ∞.

Входной импеданс идеального инвертирующего усилителя равен сопротивлению резистора R1, поскольку, согласно свойству 1 модели идеального усилителя на ОУ входы не потребляют ток, и на инвертирующем входе установлен потенциал 0 В согласно свойству 5.

При равенстве сопротивлений резисторов в цепи обратной связи получаем инвертирующий повторитель.

При соотношении сопротивлений резисторов R1 > R2 схема работает как инвертирующий аттенюатор, т.е. начинает «ослаблять» входной сигнал.

▍ Идеальный неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель, как и инвертирующий усилитель, является пропорциональным звеном. Он производит операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Усилитель охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току. Цепь обратной связи состоит из делителя напряжения, собранного на резисторах R1 и R2. Сигнал с делителя напряжения подаётся на инвертирующий вход:

Из свойства 5 модели следует, что напряжение на инвертирующем входе ОУ U_вх- равно напряжению на неинвертирующем входе U_вх+. При этом U_вх+ равно входному напряжению U_вх.

Согласно свойству 1 модели идеального операционного усилителя, входы ОУ ток не потребляют, следовательно, падение напряжения на резисторе R1 равно напряжению U_вх, а падение напряжения на последовательно включенных резисторах делителя напряжения R1 и R2 равно напряжению U_вых.

Получаем следующее соотношение:

(7)
где:	Uвых – напряжение на выходе неинвертирующего усилителя;
Uвх – напряжение на входе неинвертирующего усилителя;
R1, R2 – сопротивления резисторов в цепи обратной связи неинвертирующего усилителя.

Согласно формуле (7) , коэффициент передачи неинвертирующего усилителя:

Из формулы (8) видно, что коэффициент передачи идеального неинвертирующего усилителя не может быть меньше единицы.

Входной импеданс идеального неинвертирующего усилителя равен импедансу неинвертирующего входа, который согласно свойству 1 модели идеального усилителя на ОУ стремится к бесконечности.

Частным случаем схемы неинвертирующего усилителя на ОУ является схема повторителя, где сопротивление R1 = ∞, а R2 = 0:

Схема имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление, что позволяет согласовать, например, высокоомный источник сигнала с низкоомной нагрузкой.

▍ Сравнение схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Обе схемы усилителей, инвертирующего и неинвертирующего, являются пропорциональными звеньями, осуществляющими операцию умножения входного сигнала на коэффициент k.

Принципиальные различия между схемами заключаются в том, что:

1. Инвертирующий усилитель изменяет знак входного сигнала, а неинвертирующий усилитель знак входного сигнала не изменяет.
2. Коэффициент передачи инвертирующего усилителя может быть меньше единицы, а коэффициент передачи неинвертирующего усилителя меньше единицы быть не может.
3. Входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется входным сопротивлением применённого ОУ, а входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется сопротивлением резисторов в цепи обратной связи.

Увеличение входного сопротивления инвертирующего усилителя резистором R1 требует пропорционального коэффициенту передачи k увеличения сопротивления резистора R2. Предотвратить чрезмерное увеличение сопротивления резистора R2 можно применением в цепи ООС усилителя Т-моста:

Коэффициент передачи инвертирующего усилителя с Т-мостом:

Входное сопротивление инвертирующего усилителя с Т-мостом приблизительно равно сопротивлению резистора R1.

При k = 10 и сопротивлении R1 = 500 кОм в схеме инвертирующего усилителя с делителем напряжения в цепи обратной связи сопротивление резистора R2 должно быть 5 МОм.

В случае инвертирующего усилителя с Т-мостом, при k = 10, сопротивлении R1 = 499 кОм и сопротивлении R4 = 100 Ом, сопротивление резисторов R2 и R3 будет равно 22.6 кОм. Расчёт цепи обратной связи в этом случае сложней, но применение Т-моста в цепи обратной связи при больших значениях сопротивления резистора R1 обеспечивает более стабильную работу усилителя.

▍ От автора

Данный цикл публикаций состоит из семи частей. Краткое содержание публикаций:

1. Предпосылки появления ОУ. «Идеальный» операционный усилитель. Инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель. < — Вы тут
2. Отличия «реального» ОУ от «идеального». Основные характеристики реального ОУ. Ограничения реального ОУ.
3. Суммирующий усилитель. Разностный усилитель. Измерительный усилитель. Интегрирующее звено. Дифференцирующее звено. Схема выборки-хранения.
4. Активный детектор. Активный пиковый детектор. Логарифмический усилитель. Активный ограничитель сигнала. Компаратор на ОУ. Источник опорного напряжения. Источник тока. Усилитель мощности.
5. Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры на ОУ. Генераторы сигналов на ОУ.
6. Однополярное включение ОУ. Входные помехи, «развязки» и защиты входных цепей, экранирование.
7. Операционные усилители на лампах.

1. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988
2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993
3. Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 5-изд. Мир, 1982
4. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Мир, 1991

В чем различие между инвертирующим и неинвертирующим усилителем

Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.

Автор:
Опубликовано 06.07.2006

Всем привет.
В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя.
Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем.
Итак — операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью.
На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:

На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ — два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже — у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ — Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов — зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.

Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три — можно назвать их ТриО (или ООО — кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ — как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе.
Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек).
Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек.
Оценить — подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:

где, fmax — частота синусоидального сигнала, Vmax — скорость нарастания сигнала, Uвых — максимальное выходное напряжение.
Ну да не будем больше тянуть кота за хвост — приступим к главной задаче этого опуса — куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.

Первая схема включения ОУ — инвертирующий усилитель.

Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу.
Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:

Почему «минус»? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала «зеркальна» фазе входного.
Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.

Следующая схема — инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением.
Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса — соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается — допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно.
В этих самых случая можно применить следующую схему:

В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:

То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.

Едем дальше — неинвертирующий усилитель.
Выглядит он следующим образом:

Коэффициент усиления определяется так:

В данном случае, как видите, никаких минусов нет — фаза сигнала на входе и на выходе совпадает.
Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше.
Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току — установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.

Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.

Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления.

Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3.
Тогда коэффициент усиления можно определить так:
K=2A-1
Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора.
Так, с усилителями разобрались — дальше у нас по плану — фильтры.

Вопросы, как обычно, складываем тут.

Операционные усилители. Часть 2: Отличия реального операционного усилителя от идеального

В предыдущей публикации цикла мы ознакомились с моделью идеального операционного усилителя и узнали, как собрать на идеальном операционном усилителе пропорциональное (усилительное) звено.

В данной публикации цикла мы рассмотрим отличия «реального» операционного усилителя от «идеального», ознакомимся с ограничениями реального ОУ в следствие этих отличий, узнаем про основные характеристики реальных операционных усилителей.

На КДПВ изображены микросхемы К140УД708, советский аналог «классических» ОУ серии 741, и К574УД2Б, аналог популярного ОУ TL083.

Интегральный операционный усилитель достаточно сложное устройство, но объяснить его работу и дать описание основных характеристик можно и на упрощённых моделях.

Характеристики реального ОУ «в статике»

Чтобы разобраться с характеристиками ОУ в «статике», обратимся к эквивалентной схеме операционного усилителя для низких частот, изображённой на рисунке 1.1 на стр.6 [1]:

Основным элементом ОУ является безынерционное пропорциональное звено с коэффициентом передачи K. Напряжение с выхода этого звена через резистор R_вых подаётся на выход ОУ.

В datasheet обычно указываются следующие характеристики ОУ:

— Коэффициент усиления : характеристика ОУ, численно равная коэффициенту передачи К на постоянном токе или частотах ниже 10 Гц.

— Выходное сопротивление : характеристика ОУ, численно равная R_вых эквивалентной схемы с разомкнутой ООС.

На входы ОУ подаются напряжения U_вх+ и U_вх-. Входы имеют конечное сопротивление и могут потреблять ток, причём для каждого входа разный.

Сформулируем свойство 1 для реального операционного усилителя:

1. Входы реального ОУ имеют конечный импеданс, могут потреблять ток и влиять, таким образом, на входной сигнал.

Если неидеальность ОУ «по входам» во многом определяется ограничениями технологии, то неидеальность «по выходу» — ещё и ограничениями, накладываемыми источником питания.

Свойство 2 для реального операционного с учётом ограничений по питанию:

2. Выход реального ОУ имеет ненулевое сопротивление и может обеспечить ограниченный диапазон напряжений при ограниченном токе в нагрузке.

Ещё в datasheet на ОУ обязательно указывают:
— Номинальное напряжение питания
— Диапазон выходных напряжений
— Сопротивление нагрузки

Поясним рассмотренные параметры на примере операционного усилителя К140УД708.

Этот ОУ рассчитан на работу от двухполярного источника напряжения U_П = ± 15 В и может обеспечивать на выходе диапазон напряжений U_вых = ± 10,5 В на нагрузке сопротивлением R_н = 2 кОм. Ёмкость нагрузки не должна превышать 1000 пФ. Коэффициент усиления ОУ К140УД708 на частоте 5 Гц при U_П = ± 15 В, U_вых = ± 10 В и R_н = 2 кОм равен 30000.

Вернёмся к параметрам входных цепей:

— Диапазон синфазных входных напряжений : диапазон допустимых входных напряжений на соединённых вместе входах ОУ. Обычно лежит в пределах напряжения источника питания.

— Дифференциальное входное напряжение : диапазон допустимых входных напряжений между входами ОУ. Может лежать в пределах от долей вольта до напряжения однополярного источника питания (двух напряжений питания для двухполярного).

При подаче на входы реального операционного усилителя напряжений вне этих диапазонов возможен выход ОУ из строя.

— Входное сопротивление : сопротивление входа, измеренное при подаче на другой вход напряжения 0 В. На эквивалентной схеме обозначено R_вх. Может называться «входным сопротивлением для дифференциального сигнала». Для ОУ со входом на биполярных транзисторах может составлять 10 3 – 10 6 Ом и более. Входное сопротивление входов на полевых транзисторах значительно выше.

— Входное сопротивление для синфазного сигнала : обозначено на эквивалентной схеме как два резистора сопротивлением R_сф, включённых параллельно источникам тока I+ и I-. Обычно на один-два порядка превышает значение R_вх.

— Входной ток : среднеарифметическое значение суммы входных токов, обозначенных на эквивалентной схеме как два источника тока I+ и I-, измеренных при таком значении U_вх, что U_вых = 0. Входной ток может изменяться при изменении напряжения питания и сопротивления нагрузки.

— Входной ток смещения : абсолютное значение разности токов, втекающих в каждый вход при таком значении U_вх, что U_вых = 0. Характеризует «асимметрию» входов, вызванную технологическими причинами.

— Напряжение смещения : величина разности напряжений U_см = (U_вх+ – U_вх-) на входах операционного усилителя, при которой напряжение U_вых = 0. Т.к. U_см может иметь любой знак, на эквивалентной схеме оно складывается с U_вх-.

— Коэффициент подавления синфазных сигналов : на эквивалентной схеме подавление синфазных сигналов осуществляется безынерционным пропорциональным звеном, на вход которого подаётся разность напряжений (U_вх+ – U_вх-). Коэффициент передачи звена (0.5 / M_сф). Чем выше M_сф, тем меньше изменение синфазного сигнала влияет на выходное напряжение ОУ.

Характеристики реального ОУ «в динамике»

Основное отличие реального ОУ от идеального заключается в том, что в «динамике» реальный ОУ ведёт себя как фильтр низких частот (ФНЧ).

Отсюда свойства 3 и 4 реального операционного усилителя можно сформулировать так:

3. Коэффициент передачи реального ОУ с разомкнутой ООС может составлять 10 4 – 10 6 (80 — 120 дБ) на низких частотах и уменьшается с ростом частоты.

4. Время задержки распространения сигнала в реальном ОУ не равно нулю, по напряжению фаза выходного сигнала отстаёт от фазы входного сигнала.

Рассмотрим две важнейшие динамические характеристики реального ОУ:

— Частота единичного усиления : частота (Гц), при которой коэффициент усиления ОУ равен единице.

— Максимальная скорость нарастания выходного напряжения : характеристика (В/мкс), отражающая скорость реакции ОУ на прямоугольный импульс на входе.

Отличие реального ОУ от идеального в «динамике» разберём по методике, приведённой в разделе 7.1.4 на стр.86-88 [4].

Рассмотрим поведение реального ОУ без встроенной частотной коррекции по кривым, обозначенным I на диаграмме Боде, приведённой выше, и по эквивалентной схеме I.

На частотах ниже f₂ реальный ОУ ведёт себя как ФНЧ 1-го порядка с частотой среза f₁. Частота среза f₁ определяется характеристиками входного дифференциального каскада, обозначенных на эквивалентной схеме паразитным конденсатором, нарисованным пунктиром. На частотах в диапазоне от f₁ до f₂ АЧХ реального ОУ имеет наклон -6 дБ на октаву.

На частотах выше f₂ на АЧХ начинают оказывать влияние характеристики второго каскада ОУ. АЧХ на этих частотах имеет наклон -12 дБ на октаву, что соответствует характеристике ФНЧ 2-го порядка.

Фазовый сдвиг на частотах ниже f₁ равен 0°. Фазовый сдвиг в диапазоне от f₁ до f₂ равен -90°, а на частотах выше f₂ равен -180°.

Если на частоте f₂ коэффициент усиления ОУ больше единицы (0 дБ), отрицательная обратная связь становится положительной, и ОУ переходит в режим самовозбуждения.

Устойчивая работа реального ОУ в «динамике» достигается введением частотной коррекции.

На эквивалентной схеме II частотная коррекция обеспечивается введением в схему конденсатора C_K. Амплитудно-частотная и фазовая характеристики реального ОУ с однополюсной частотной коррекцией показаны на диаграмме Боде кривыми, обозначенными как II.

Суть однополюсной частотной коррекции: обеспечить такую частоту среза f_O1, чтобы на частоте f₁ коэффициент усиления ОУ был равен единице (0 дБ).

Таким образом, сделана встроенная частотная коррекция «классического» ОУ серии 741. Наличие встроенной частотной коррекции сделало ОУ этой серии крайне популярными. Частота единичного усиления f₀ такого ОУ невысокая — 1,0 МГц, но этого, как оказалось, достаточно для многих приложений.

Частоту единичного усиления f₀ можно поднять с помощью двухполюсной («опережающей») коррекции. На эквивалентной схеме III двухполюсная коррекция обеспечивается введением в схему резистора R_K, включённого последовательно с конденсатором C_K. Амплитудно-частотная и фазовая характеристики реального ОУ с двухполюсной частотной коррекцией показаны на диаграмме Боде кривыми, обозначенными как III.

Цепь «опережающей» частотной коррекции обеспечивает подъём АЧХ на 6 дБ на частотах выше f₁. Частота среза f_O2 выбрана таким образом, чтобы коэффициент усиления ОУ был равен единице на частоте f₂.

Следует отметить, что введение частотной коррекции повышает устойчивость звена на ОУ за счёт большей инерционности этого звена, и, следовательно, снижения скорости нарастания выходного напряжения.

Ограничения реального ОУ

Современные технологии позволяют выпускать недорогие rail-to-rail ОУ универсального применения, не требующие внешней «обвязки» в виде цепей частотной коррекции и коррекции нуля. Допустимые диапазоны входных сигналов (синфазного и дифференциального) и диапазон выходного сигнала таких ОУ обычно равны напряжению питания.

В настоящий момент времени разными производителями выпускается большое количество разнообразных ОУ с отличающимися параметрами, которые при выборе ОУ необходимо уточнять по datasheet производителя.

Сосредоточимся на ограничениях, справедливых для подавляющего количества существующих ОУ.

Реальный ОУ при отключении ООС переходит в режим насыщения за счёт высокого коэффициента усиления и наличия токов смещения.

Как и в случае идеального операционного усилителя характеристики схем на реальных ОУ определяются параметрами цепи ООС. Цепи ООС должны быть рассчитаны таким образом, чтобы при любом значении входных напряжений из рабочего диапазона выходной каскад ОУ не входил в режим насыщения.

Для снижения влияния сопротивления входов и выхода ОУ на параметры цепи ООС подбор номиналов резисторов R1 и R2 нужно осуществлять так, чтобы:
— сопротивление R1 было больше, чем выходное сопротивление ОУ R_вых;
— сопротивление R2 было меньше чем входное сопротивление R_вх.

Для компенсации тока смещения неинвертирующий вход ОУ подключается через резистор R3 с сопротивлением, равным сопротивлению параллельно включённых R1 и R2. Это необходимо для ОУ с входным каскадом на биполярных транзисторах и необязательно для ОУ с входным каскадом на полевых.

Схема инвертирующего усилителя с компенсацией тока смещения:

Схема неинвертирующего усилителя с компенсацией тока смещения:

Сопротивления резисторов R1, R2 для ОУ со входами на биполярных транзисторах обычно выбираются в пределах от 2 до 100 кОм так, чтобы сопротивление резистора R3 лежало в диапазоне от 2 до 10 кОм. При выборе сопротивления R2 в единицах МОм нужно быть готовым к тому, что ОУ с такими цепями ООС будет работать нестабильно.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на реальном ОУ приблизительно равно сопротивлению резистора R1.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя на реальном ОУ приблизительно равно входному сопротивлению синфазному сигналу R_сф операционного усилителя.

Также при расчёте ООС необходимо учитывать частотный диапазон. На рисунке ниже приведён пример зависимости диапазона рабочих частот от коэффициента передачи звена на ОУ:

Как видно из графика, c увеличением коэффициента передачи диапазон рабочих частот сужается. То есть, звено на ОУ может обеспечивать k = 1 (0 дБ) на частотах ниже f₀, k = 10 (20 дБ) на частотах ниже f₂₀ и т.д.

Помимо всего вышесказанного, реальный ОУ подвержен влиянию внешней среды и имеет температурный дрейф параметров, зависимость от нестабильности источника питания, ограничения по тепловыделению и т.д.

▍ От автора

Нельзя объять необъятное и раскрыть в одной статье все нюансы всех характеристик всех существующих операционных усилителей. Я очень надеюсь, что данная публикация даст ключ к пониманию основ.

«Библией» разработки на ОУ является, несомненно, «Искусство схемотехники» Хоровица и Хилла. Но как это работает изнутри, я окончательно разобрался только при разборе моделей, которые привёл в этой публикации.

Данный цикл публикаций состоит из семи частей. Краткое содержание публикаций:

1. Предпосылки появления ОУ. «Идеальный» операционный усилитель. Инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель.
2. Отличия «реального» ОУ от «идеального». Основные характеристики реального ОУ. Ограничения реального ОУ. < — Вы тут
3. Суммирующий усилитель. Разностный усилитель. Измерительный усилитель. Интегрирующее звено. Дифференцирующее звено. Схема выборки-хранения.
4. Активный детектор. Активный пиковый детектор. Логарифмический усилитель. Активный ограничитель сигнала. Компаратор на ОУ. Источник опорного напряжения. Источник тока. Усилитель мощности.
5. Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры на ОУ. Генераторы сигналов на ОУ.
6. Однополярное включение ОУ. Входные помехи, «развязки» и защиты входных цепей, экранирование.
7. Операционные усилители на лампах.

▍ Использованные источники:

1. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988
2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993
3. Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 5-изд. Мир, 1982
4. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Мир, 1991