Схема неинвертирующего усилителя является базовой схемой с ОУ. Выглядит она до боли просто:
В этой схеме сигнал подается на НЕинвертирующий вход ОУ.
Итак, для того, чтобы понять принцип работы этой схемы, запомните самое важное правило, которое используется для анализа схем с ОУ: выходное напряжение ОУ стремится к тому, чтобы разность напряжения между его входами была равна нулю.
Итак, давайте инвертирующий вход обозначим, буквой A:
Следуя главному правилу ОУ, получаем, что напряжение на инвертирующем входе равняется входному напряжению: UA=Uвх . UA снимается с делителя напряжения, который образован резисторами R1 и R2. Следовательно:
UA = Uвых R1/(R1+R2)
Так как UA=Uвх , получаем что Uвх = Uвых R1/(R1+R2).
Коэффициент усиления по напряжению высчитывается как KU = Uвых /Uвх.
Подставляем сюда ранее полученные значения и получаем, что KU = 1+R2/R1.
Это также можно легко проверить с помощью программы Proteus. Схема будет выглядеть вот так:
Давайте рассчитаем коэффициент усиления KU. KU = 1+R2/R1=1+90к/10к=10. Значит, наш усилитель должен ровно в 10 раз увеличивать входной сигнал. Давайте проверим, так ли это. Подаем на неинвертирующий вход синусоиду с частотой в 1кГц и смотрим, что имеем на выходе. Для этого нам потребуется виртуальный осциллограф:
Входной сигнал — это желтая осциллограмма, а выходной сигнал — это розовая осциллограмма:
Как вы видите, входной сигнал усилился ровно в 10 раз. Фаза выходного сигнала осталась такой же. Поэтому такой усилитель называют НЕинвертирующим.
Но, как говорится, есть одно «НО». На самом же деле в реальном ОУ имеются конструктивные недостатки. Так как Proteus старается эмулировать компоненты, приближенные к реальным, давайте рассмотрим амплтитудно-частотную характеристику (АЧХ), а также фазо-частотную характеристику (ФЧХ) нашего операционника LM358.
На практике, для того, чтобы снять АЧХ, нам надо на вход нашего усилителя подать частоту от 0 Герц и до какого-то конечного значения, а на выходе в это время следить за изменением амплитуды сигнала. В Proteus все это делается с помощью функции Frequency Responce:
По оси Y у нас коэффициент усиления, а по оси Х — частота. Как вы могли заметить, коэффициент усиления почти не изменялся до частоты 10 килоГерц, потом стал стремительно падать с ростом частоты. На частоте в 1МегаГерц коэффициент усиления был равен единице. Этот параметр в ОУ называется частотой единичного усиления и обозначается как f1. То есть по сути на этой частоте усилитель не усиливает сигнал. Что подали на вход, то и вышло на выходе.
В проектировании усилителей важен такой параметр, как граничная частота среза fгр . Для того, чтобы ее вычислить, нам надо знать коэффициент усиления на частоте Kгр:
Kгр= KUo / √2 либо = KUo х 0,707 , где KUo — это коэффициент усиления на частоте в 0 Герц (постоянный ток).
Если смотреть на АЧХ, мы увидим, что на нулевой частоте (на постоянном токе) у нас коэффициент усиления равен 10. Вычисляем Kгр.
Kгр = 10 х 0,707 = 7,07
Теперь проводим горизонтальную линию на уровне 7,07 и смотрим пересечение с графиком. У меня получилось около 104 килоГерц. Строить усилитель с частотой среза, более, чем fгр не имеет смысла, так как в этом случае выходной сигнал усилителя будет сильно затухать.
Также очень просто определить граничную частоту, если построить график в децибелах. Граничная частота будет находиться на уровне KUo-3dB. То есть в нашем случае на уровне в 17dB. Как вы видите, в этом случае мы также получили частоту среза в 104 килоГерца.
Ну ладно, с частотой среза вроде бы разобрались. Теперь нам важен такой параметр, как ФЧХ. В нашем случае мы вроде бы как получили НЕинвертирующий усилитель. То есть сдвиг фаз между входным и выходным сигналом должен быть равен нулю. Но как поведет себя усилитель на высоких частотах (ВЧ)?
Берем такой же диапазон частот от 0 и до 100 МегаГерц и смотрим на ФЧХ:
Как вы видите, до частоты в 1 килоГерц неинвертирующий усилитель действительно работает как надо. То есть входной и выходной сигнал двигаются синфазно. Но после частоты в 1 килоГерц, мы видим, что фаза выходного сигнала начинает отставать. На частоте в 100 килоГерц она уже отстает примерно на 40 градусов.
Для наглядности АЧХ и ФЧХ можно разместить на одном графике:
Также в схемах с неинвертирующим усилителем часто вводят компенсирующий резистор RK .
Он определяется по формуле:
и служит для того, чтобы обеспечить равенство сопротивлений между каждым из входов и землей. Более подробно мы это разберем в следующей статье.
