Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Главная » Электроника для начинающих » Неинвертирующий усилитель на ОУ. Принцип работы

Неинвертирующий усилитель  — это, пожалуй, одни из трех самых элементарных схем аналоговой электроники, наряду со схемами инвертирующего усилителя и повторителя напряжения. Он даже проще чем инвертирующий усилитель, поскольку для работы схемы не нужно двухполярное питание.

Обратите внимание на единицу, содержащуюся в формуле. Это нам говорит о том, что неинвертирующий усилитель всегда имеет усиление больше 1, а это значит, что с помощью такой схемы вы не можете ослабить сигнал.

Чтобы лучше понять, как работает неинвертирующий усилитель, давайте рассмотрим схему на операционном усилителе и подумаем, какое будет напряжение на его выходе.

В первую очередь мы должны подумать о том, какие напряжения присутствуют на обоих входах нашего операционного усилителя. Вспомним первое из правил, которое описывает работу операционного усилителя:

Правило №1 — операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

То есть, напряжение на инвертирующем входе составляет 3В. На следующем этапе давайте рассмотрим резистор сопротивлением 10k. Мы знаем, какое напряжение на нем и его сопротивление, а значит, из закона Ома мы можем вычислить какой ток течет через него:

I = U/R = 3В/10k = 300мкА.

Этот ток, согласно правилу 2, не может быть взят с инвертирующего входа (-), таким образом, он идет с выхода усилителя.

Блок питания 0…30В/3A

Набор для сборки регулируемого блока питания…

Подробнее

Правило №2 — входы усилителя не потребляют ток

Ток 300мкА протекает также через резистор сопротивлением 20к. Напряжение на нем мы легко вычислим с помощью закона Ома:

U = IR = 300мкА * 20к = 6В

Получается, что это напряжение и есть выходное напряжение усилителя? Не, это не так. Напомним, что резистор 20к на одном из своих выводов имеет напряжение 3В. Обратите внимание, как направлены напряжения на обоих резисторах.

Ток течет в направлении противоположном направлению стрелки, символизирующей точку с более высоким напряжением. Поэтому к рассчитанным 6В нужно добавить еще 3В на входе. В таком случае конечный результат будет 9В.

Стоит отметить, что резисторы R1 и R2 образуют простой делитель напряжения. Помните, что сумма напряжений на отдельных резисторах делителя должно быть равно напряжению, поступающему на делитель — напряжение не может исчезнуть бесследно и возникнуть из ниоткуда.

В заключение мы должны проверить полученный результат с последним правилом:

Правило №3 — напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

То есть нам необходимо проверить, что рассчитанное нами напряжение можно получить реально. Часто начинающие думают, что усилитель работает как «Perpetuum Mobile», и вырабатывает напряжение из ничего. Но надо помнить, что для работы усилителя также нужно питание.

Классические усилители работают от напряжения -15В и +15В. В такой ситуации расчетные нами 9В являются реальным напряжением, поскольку 9В находится в диапазоне питающего напряжения. Однако современные усилители часто работают с напряжением от 5В или еще ниже. В такой ситуации нет никаких шансов, чтобы усилитель выдал на выходе 9В.

Поэтому при разработке схем необходимо всегда помнить, что теоретические расчеты всегда должны сверяться с реальностью и физическими возможностями компонентов.

Инвертор 12 В/ 220 В

Инвертор с чистой синусоидой, может обеспечивать питание переменно…

Подробнее

Categories Электроника для начинающих Tags ОУ

Отправить сообщение об ошибке.

Неинвертирующий усилитель

RADIOMASTER

Лучшие смартфоны на Android в 2022 году

Серия iPhone от Apple редко чем удивляет. Когда вы получаете новый iPhone, общее впечатление, скорее всего, будет очень похожим на ваше предыдущее устройство.

Однако всё совсем не так в лагере владельцев устройств на Android. Существуют телефоны Android всех форм и размеров, не говоря уже о разных ценовых категориях. Другими словами, Android-телефон может подойти многим. Однако поиск лучших телефонов на Android может быть сложной задачей.

1355 0

Документация Схемотехника CAD / CAM Статьи

Компьютеры Радиолюбителю

• Главная
/
• База знаний
/
• Статьи
/
• Радиолюбителю

В схеме инвертирующего усилителя рис. 1.5 резисторы R1 и R2 образуют делитель, через который протекает одинаковый ток

Исходя из этого к инвертирующему входу ОУ приложено напряжение:

Рисунок 1.

1 — Неинвертирующий усилитель

Однако, как уже отмечалось, за счет отрицательной обратной связи потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов будут примерно равными, т.е.

Отсюда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:

В отличие от инвертирующего усилителя входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется входным дифференциальным сопротивлением ОУ и можно считать, что

(Например, у усилителей с МОП транзисторами на входе Ом. Выходное сопротивление составляет несколько десятков-сотен Ом. Сумма сопротивлений (R1 +R2) должна быть такой, чтобы общий максимальный ток нагрузки ОУ с учетом этого сопротивления не превышал допустимого значения.

Рисунок 1.2 — Повторитель напряжения

На рис. 1.2 приведена схема неинвертирующего усилителя со 100% отрицательной обратной связью. При подаче напряжения на вход, за счет обратной связи выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока потенциалы инвертирующего и неинвертирующего входов не сравняются (считаем ), т.е выходное напряжение окажется приблизительно равным входному. Таким образом коэффициент усиления схемы рис. 6.7

В силу этого схема рис. 1.2 называется повторителем, так как сигнал на выходе имеет ту же амплитуду и фазу , что и входной. Повторитель часто используется в качестве буферного каскада.

При необходимости усиливать переменный сигнал можно использовать схему рис. 1.3. Для входного тока (очень небольшого) в схеме предусмотрено заземление неинвертирующего входа через резистор R. RC-цепь образует фильтр высоких частот, поэтому постоянная времени должна выбираться исходя из требуемой нижней граничной частоты пропускания усилителя.

Рисунок 1.3 – Усилитель переменного напряжения

Нравится

Твитнуть

Теги Радио

Сюжеты Радио

Малошумящие низкочастотные усилители

12066 0

Влияние режима работы транзистора на шумы

7267 0

Влияние построения схемы на параметры

16881 0

Комментарии (0)

Вы должны авторизоваться, чтобы оставлять комментарии.

Вход

О проекте Использование материалов Контакты

Новости Статьи База знаний

Радиомастер
© 2005–2022 radiomaster.ru

При использовании материалов данного сайта прямая и явная ссылка на сайт radiomaster.ru обязательна. 0.2243 s

Схема неинвертирующего операционного усилителя

» Electronics Notes

Схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе обеспечивает высокий входной импеданс со всеми другими преимуществами, присущими операционным усилителям.

---

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Сводка по цепям Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с переменным усилением Активный фильтр верхних частот Активный фильтр низких частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр компаратор триггер Шмитта Мультивибратор Бистабильный Интегратор Дифференциатор Генератор моста Вина Генератор фазового сдвига

---

Конфигурация неинвертирующего усилителя является одной из самых популярных и широко используемых форм схемы операционного усилителя и используется во многих электронных устройствах.

Схема неинвертирующего усилителя на операционном усилителе обеспечивает высокий входной импеданс наряду со всеми преимуществами, полученными от использования операционного усилителя.

Хотя базовая схема неинвертирующего операционного усилителя требует того же количества электронных компонентов, что и его инвертирующий аналог, она находит применение в приложениях, где важно высокое входное сопротивление.

Схема неинвертирующего усилителя

Базовая электронная схема неинвертирующего операционного усилителя относительно проста.

В этой электронной схеме сигнал подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Таким образом, сигнал на выходе не инвертируется по сравнению со входом.

Однако обратная связь берется с выхода операционного усилителя через резистор на инвертирующий вход операционного усилителя, где другой резистор заземляется. Он должен применяться к инвертирующему входу, так как это отрицательная обратная связь.

Значение этих двух резисторов определяет коэффициент усиления схемы операционного усилителя, поскольку они определяют уровень обратной связи.

Базовая схема неинвертирующего операционного усилителя

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

Коэффициент усиления неинвертирующей схемы операционного усилителя определить несложно. Расчет основан на том факте, что напряжение на обоих входах одинаково. Это связано с тем, что коэффициент усиления усилителя чрезвычайно высок. Если выход схемы остается в пределах шин питания усилителя, то выходное напряжение, деленное на коэффициент усиления, означает, что разницы между двумя входами практически нет.

Поскольку вход операционного усилителя не потребляет ток, это означает, что ток, протекающий через резисторы R1 и R2, одинаков. Напряжение на инвертирующем входе формируется делителем потенциала, состоящим из резисторов R1 и R2, а так как напряжение на обоих входах одинаковое, то напряжение на инвертирующем входе должно быть таким же, как и на неинвертирующем входе. Это означает, что Vin = Vout x R1/(R1 + R2). Отсюда коэффициент усиления по напряжению схемы Av можно принять равным:

Ср=1+R2R1

Где:
   Av = коэффициент усиления по напряжению схемы операционного усилителя
    R2 = сопротивление резистора обратной связи в Ом
     R1 = сопротивление резистора относительно земли в Ом

Например, усилитель, требующий коэффициента усиления, равный одиннадцати, можно построить, сделав сопротивление R2 47 кОм и R1 4,7 кОм.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Импеданс неинвертирующей цепи операционного усилителя особенно высок.

Входной импеданс этой схемы операционного усилителя обычно может значительно превышать 10 Ом.0053 7 Ом.

Для большинства схемных приложений любой эффект нагрузки схемы на предыдущих каскадах может быть полностью проигнорирован, поскольку он настолько велик, если только они не являются чрезвычайно чувствительными.

Это существенное отличие от инвертирующей схемы схемы операционного усилителя, которая обеспечивала лишь относительно низкий импеданс, зависящий от номинала входного резистора.

Связь по переменному току с неинвертирующим усилителем

В большинстве случаев возможна связь по постоянному току. Там, где требуется связь по переменному току, необходимо обеспечить, чтобы неинвертирующий транзистор имел путь постоянного тока к земле для очень малого входного тока, необходимого для смещения входных устройств внутри ИС.

Этого можно добиться, подключив к земле высокоомный резистор R3, как показано ниже. Обычно это значение может составлять 100 кОм или более. Если этот резистор не вставлен, выход операционного усилителя будет подключен к одной из шин напряжения.

Базовая схема неинвертирующего операционного усилителя с конденсаторной связью на входе

При такой установке резистора следует помнить, что комбинация конденсатор-резистор C1/R3 образует фильтр верхних частот с частотой среза. Точка отсечки возникает на частоте, когда емкостное реактивное сопротивление равно сопротивлению.

Аналогичным образом, выходной конденсатор должен быть выбран таким образом, чтобы он мог пропускать самые низкие частоты, необходимые для системы. В этом случае выходной импеданс операционного усилителя будет низким, и, следовательно, наибольший импеданс, вероятно, будет у следующего каскада.

Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием

Схемы операционных усилителей обычно рассчитаны на работу от двух источников питания, т.е. +9В и -9В. Этого не всегда легко достичь, и поэтому часто бывает удобно использовать версию электронной схемы с несимметричным входом или с одним источником питания. Этого можно достичь, создав то, что часто называют половинной шиной питания.

Цепь неинвертирующего операционного усилителя смещена на половину напряжения шины. Установив рабочую точку при этом напряжении, можно получить максимальный размах на выходе без ограничения.

Схема неинвертирующего операционного усилителя с одной шиной питания.

При использовании этой схемы следует обратить внимание на несколько моментов:

• Напряжение смещения: Напряжение смещения для неинвертирующего усилителя устанавливается резисторами R3 и R4. Обычно входное сопротивление самого операционного усилителя будет выше, чем у резисторов, и поэтому им можно пренебречь. Обычно напряжение смещения устанавливается равным половине напряжения на шине, чтобы выходной сигнал мог одинаково колебаться в любом направлении без ограничения. R3 и R4 обычно имеют одинаковое значение.
• Входное сопротивление:   Входное сопротивление такой схемы будет ниже, чем у операционного усилителя в отдельности. Входное сопротивление всей схемы неинвертирующего усилителя будет равно R3 параллельно с R4 параллельно входному сопротивлению операционного усилителя. В действительности это обычно соответствует R3 параллельно с R4, то есть (R3 x R4) / R3 + R4).
• Конденсатор C3:   Утечка конденсатора C3 должна быть очень малой, иначе ток утечки нарушит цепь, и он попадет в шину. Электролитические конденсаторы в этом положении не работают, так как их ток утечки слишком велик и цепь упирается в шину питания.
• Входные и выходные конденсаторы: Как и в любой электронной схеме, входные и выходные конденсаторы должны быть выбраны так, чтобы они пропускали самые низкие частоты без чрезмерного затухания.

Конфигурация неинвертирующего усилителя с использованием операционного усилителя особенно полезна для электронных схем электронных устройств, где требуется высокое входное сопротивление. Схема неинвертирующего усилителя проста в сборке, на практике работает надежно и хорошо.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем . . .

Неинвертирующие операционные усилители Работа и применение

В электронике усилитель представляет собой схему, которая принимает входной сигнал и выдает на выходе неискаженную большую версию сигнала. В этом уроке мы узнаем о важной конфигурации операционного усилителя, называемой неинвертирующим усилителем. В неинвертирующих операционных усилителях вход подается на неинвертирующую клемму, а выход находится в фазе с входом.

Краткое описание

Введение

Операционный усилитель, или более известный как операционный усилитель, представляет собой многокаскадный дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления, который можно использовать несколькими способами. Две важные схемы типичного операционного усилителя:

• Инвертирующий усилитель
• Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель представляет собой схему схемы операционного усилителя, которая создает усиленный выходной сигнал, и этот выходной сигнал неинвертирующего операционного усилителя находится в фазе с приложенным входным сигналом.

Другими словами, неинвертирующий усилитель ведет себя как схема повторителя напряжения. В неинвертирующем усилителе также используется соединение с отрицательной обратной связью, но вместо того, чтобы подавать весь выходной сигнал на вход, только часть напряжения выходного сигнала возвращается в качестве входа на инвертирующий вход операционного усилителя.

Высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс неинвертирующего усилителя делают эту схему идеальной для буферизации импеданса.

Идеальная схема неинвертирующего усилителя

Принципиальная схема идеального неинвертирующего усилителя показана на рисунке ниже.

Из схемы видно, что R ₂ (R _f на рисунке выше) и R ₁ (R ₁ на рисунке выше) действуют как делитель потенциала для выходное напряжение, а на инвертирующий вход подается напряжение на резисторе R ₁ .

Когда неинвертирующий вход подключен к земле, т. е. В _IN = 0, напряжение на клемме инвертирующего входа также должно быть на уровне земли; в противном случае любая разница напряжений между входными клеммами будет усиливаться, чтобы вернуть инвертирующую входную клемму на уровень земли (входы операционного усилителя всегда будут иметь одинаковое напряжение).

Поскольку клемма инвертирующего входа находится на уровне земли, соединение резисторов R ₁ и R ₂ также должно быть на уровне земли. Отсюда следует, что падение напряжения на резисторе R ₁ будет равно нулю. В результате ток, протекающий через R ₁ и R ₂ , должен быть равен нулю. Таким образом, падение напряжения на R ₂ равно нулю, и, следовательно, выходное напряжение равно входному напряжению, равному 0 В.

Когда положительный входной сигнал подается на неинвертирующую входную клемму, выходное напряжение смещается, чтобы поддерживать инвертирующую входную клемму равной приложенному входному напряжению. Следовательно, на резисторе R 9 будет развиваться напряжение обратной связи.0145 1 ,

VR ₁ = V _IN = V _OUT R ₁ / (R ₁ + R ₂ )

Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего операционного усилителя

Из приведенного выше уравнения, V _IN через V _OUT коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя с обратной связью A _CL может быть рассчитан как :

 A _КЛ = В _ВЫХ / В _ВХОД

 = (R ₁ + Р ₂ ) / Р ₁

 A _CL = 1 + (R ₂ / R ₁ )

 или A _CL = 1 + (R _f / R ₁ )

Приведенное выше уравнение усиления является положительным, что указывает на то, что выходной сигнал будет синфазным с приложенным входным сигналом. Коэффициент усиления по напряжению замкнутого контура неинвертирующего усилителя определяется соотношением резисторов R ₁ и R ₂ , используемых в цепи.

На практике неинвертирующие усилители должны иметь резистор, включенный последовательно с источником входного напряжения, чтобы поддерживать одинаковый входной ток на обеих входных клеммах.

Виртуальное короткое замыкание

В неинвертирующем усилителе существует виртуальное короткое замыкание между двумя входными клеммами. Виртуальное короткое замыкание — это короткое замыкание по напряжению, но обрыв по току. Виртуальное короткое замыкание использует два свойства идеального операционного усилителя:

• Поскольку R _IN бесконечно, входной ток на обоих выводах равен нулю.
• Поскольку усиление разомкнутого контура A _OL бесконечно, разность напряжений (V ₁ – V ₂ ) всегда равна нулю.

Хотя виртуальное короткое замыкание является идеальным приближением, оно дает точные значения при использовании с сильной отрицательной обратной связью. Пока операционный усилитель работает в линейной области (не в режиме насыщения, положительно или отрицательно), коэффициент усиления по напряжению без обратной связи приближается к бесконечности, и между двумя входными клеммами существует виртуальное короткое замыкание.

Из-за виртуального короткого замыкания инвертирующее входное напряжение следует за неинвертирующим входным напряжением. Если неинвертирующее входное напряжение увеличивается или уменьшается, инвертирующее входное напряжение немедленно увеличивается или уменьшается до того же значения. Это действие часто называют «самозагрузкой».

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Входное сопротивление схемы операционного усилителя определяется как:

 Z _IN = (1 + A _OL β) Z _i

Где A _OL — коэффициент усиления операционного усилителя без обратной связи

Zi — входной импеданс операционного усилителя без обратной связи

β — коэффициент обратной связи

Для неинвертирующего усилителя обратная связь коэффициент задается как:

 β = R ₂ / (Р ₁ + Р ₂ )

β = 1 / A _CL

Таким образом, для схемы неинвертирующего усилителя входной импеданс определяется уравнением

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя

Выходное сопротивление операционного усилителя выражается как:

 Z _OUT = Z ₀ / (1+ A _OL β)

Поскольку β = 1 / A _CL для неинвертирующего усилителя полное сопротивление задается как

 Z _OUT = Z ₀ / {1 + (A _OL / A _CL )}

Цепь повторителя напряжения

Повторитель напряжения — это одно из самых простых применений операционного усилителя, в котором выходное напряжение точно такое же, как и входное напряжение, подаваемое на схему. Другими словами, коэффициент усиления схемы повторителя напряжения равен единице.

Выход операционного усилителя напрямую подключен к инвертирующему входу, а входное напряжение подается на неинвертирующий вход. Повторитель напряжения, как и неинвертирующий усилитель, имеет очень высокий входной импеданс и очень низкий выходной импеданс. Принципиальная схема повторителя напряжения показана на рисунке ниже.

Можно видеть, что приведенная выше конфигурация аналогична схеме неинвертирующего усилителя, за исключением того, что в ней не используются резисторы. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется как

 A _CL = 1 + (R ₂ / R ₁ )

В повторителе напряжения резистор R ₂ равен нулю, а R ₁ бесконечен. Таким образом, усиление повторителя напряжения будет равно 1. Следовательно, повторитель напряжения также широко известен как буфер единичного усиления.

Повторитель напряжения или буферная схема с единичным коэффициентом усиления обычно используется для изоляции различных цепей, т. е. для отделения одного каскада схемы от другого, а также для согласования импеданса.

На практике выходное напряжение повторителя напряжения не будет точно равно приложенному входному напряжению, и будет небольшая разница. Эта разница обусловлена ​​высоким коэффициентом усиления по внутреннему напряжению операционного усилителя.

ПРИМЕЧАНИЕ: Коэффициент усиления по напряжению без обратной связи операционного усилителя бесконечен, а коэффициент усиления по напряжению с обратной связью повторителя напряжения равен единице. Это означает, что, тщательно выбирая компоненты обратной связи, мы можем точно контролировать коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.

Пример неинвертирующего усилителя

Для неинвертирующего усилителя, показанного на рисунке ниже, рассчитайте следующее:

i) Коэффициент усиления усилителя, A _CL

ii) Выходное напряжение, В _O

iii) Ток через нагрузочный резистор, I _L .

iv) Выходной ток, I _O .

ПРИМЕЧАНИЕ. Узел A находится на неинвертирующем выводе операционного усилителя, а узел B — на инвертирующем выводе (который также является точкой делителя напряжения). Эти узлы не показаны на изображении выше.

Ответ) Потенциал в узле B равен В _IN и из-за виртуального короткого замыкания

 В _A = В _B = В _IN = 0,8 В

Ток I1 определяется как

 I ₁ = В _А / R ₁ = 0,8 В / 10 кОм

 I ₁ = 80 мкА

Поскольку входной ток ОУ равен нулю, через резистор R _f должен протекать тот же I ₁ .

i) Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя,

 A _CL = 1 + (R _f / R ₁ ) = 1 + (20 кОм / 10 кОм)

 А _КЛ = 3

ii) Выходное напряжение,

 В _O = A _CL * В _IN = 3 * 0,8 В

 В _О = 2,4 В

iii) Ток через нагрузочный резистор,

 I _L = В _O / R _L = 2,4 / (2 * 10 ³ Ом)

 I _L = 1,2 мА

iv) Выходной ток,

Из закона тока Кирхгофа (KCL),  I _O = I ₁ + I _L ​

 I _O = 80 мкА + 1,2 мА​

 I _O = 1,28 мА​

Краткое описание неинвертирующего усилителя

• В неинвертирующем усилителе используется соединение отрицательной обратной связи типа делителя напряжения со смещением.