Инвертирующий усилитель

На рисунке 3.1 предоставлена базовая принципиальная схема инвертирующего усилителя. Диапазон применения этого усилителя исключительно широкий и включает, в частности, измерительную технику.

Рисунок 3.1 – Инвертирующий усилитель

Многие особенности инвертирующего усилителя, например, расширенная полоса пропускания и пониженное выходное сопротивление, обусловлены сопротивлением цепи обратной связи.

Выражение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя получаем, используя правила 1 и 2, приведенные в лекции 2. Поскольку не инвертирующий вход заземлен, его потенциал равняется 0 V. Согласно правилу 1, потенциал инвертирующего входа также равняется 0 V (так называемая виртуальная земля). Таким образом инвертирующий вход ОУ в схеме на рисунке 3.1 во всех практических случаях также можно считать заземленным.

В соответствие с первым законом Кирхгофа, алгебраическая сумма всех токов, которые входят в узел и выходят из узла, должна быть равна нулю. В то же время в силу правила 2 равняется 0 и входной ток ОУ. Отсюда вытекает, что

; (3.1)

Поскольку правый вывод резистора находится под потенциалом земли (0 V), а на левом выводе действует входное напряжение , то, согласно закону Ома, . Аналогично получаем . Подстановка этих соотношений в уравнение (3.1)

(3.2)

Таким образом, данная схема инвертирует входной сигнал и усиливает его в раз.

Диапазон линейности схемы (то есть линейности ее амплитудной характеристики) определяется напряжением источника питания. Из рисунка 3.2 видно, что при питании схемы от источника с напряжением 15 V, насыщение наступает, когда исходное напряжение достигает величины напряжения насыщения , типичное значение которого 13 V.

Рисунок 3.2 – Амплитудная характеристика инвертирующего усилителя

В области насыщения любое дальнейшее увеличение никак не сказывается на величине выходного напряжения. Для большинства ОУ максимальный размах выходного напряжения в линейной области приблизительно на 4 V меньше разности между плюсовым и минусовым напряжением источника питания. Входное сопротивление инвертирующего усилителя обычно довольно мало. Поскольку инвертирующий вход собственно говоря заземленный, входным сопротивлением для входного сигнала является сопротивление .

Увеличивая , можно повысить входное сопротивление, но при этом уменьшается коэффициент усиления. Коэффициент усиления можно поднять путем увеличения сопротивления резистора обратной связи , однако максимальное значение сопротивления имеет практическое ограничение.