Электроника для начинающих

Единственный недостаток заключается в том, что для работы операционного усилителя требуется двухполярное питание относительно земли, положительное напряжение и отрицательное: мы можем использовать две батареи или собрать схему «генератор массы» (см. с. 185) с другим операционным усилителем.

Инвертирующий усилитель

Самым простым операционным усилителем является инвертирующий усилитель, т. е. усилитель, выходной сигнал которого инвертируется по отношению к входному сигналу. Если мы применим к его входу положительный сигнал, то на выходе найдем отрицательный и наоборот. Для построения этого типа схем необходимы два резистора, которые служат для определения коэффициента усиления, т. е. во сколько раз будет усиливаться входной сигнал. Резистор R2 подключен между выходом цепи и ее входом, так чтобы привести часть сигнала на вход и ограничить коэффициент усиления. Неинвертирующий вход заземлен непосредственно, и схема работает с двойным источником питания, то есть с отрицательным напряжением, положительным и общим заземлением. Распространенной ошибкой является подключение земли к отрицательному источнику питания.

Рис. 6.6. Электрическая схема инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя

Выходной сигнал вычисляется по следующей формуле, где мы наблюдаем, что коэффициент усиления равен соотношению между двумя резисторами:

Если R1 равен 1кОм и R2 равен 10кОм, коэффициент усиления будет равен -10. Очень просто!

Рис. 6.7. Инвертирующий усилитель, реализованный на макетной плате

Если мы хотим использовать этот усилитель для усиления переменных сигналов, таких как аудио сигнал, поступающий от микрофона, нам нужно изолировать его, подключив один электролитический конденсатор на 10 или 50 мкФ на его вход и один на выход. Конденсаторы блокируют постоянные токи и пропускают только переменные сигналы, изолируя, по сути, усилитель.

Используются некоторые меры предосторожности, во избежание нестабильного поведения, например, подключив конденсатор на 100 нФ между выводами питания и заземлением. Конденсатор должен располагаться как можно ближе к выводам.

Неинвертирующий усилитель

Немного изменив предыдущую схему, мы реализуем неинвертирующий усилитель, в котором выходной сигнал имеет тот же знак, что и входной. Подсоединим R1 между землей и инвертирующим входом и подадим входной сигнал непосредственно на неинвертирующий вход операционного усилителя.

Рис. 6.8. Электрическая схема неинвертирующего усилителя

Для этой конфигурации коэффициент усиления равен отношению между двумя резисторами плюс один. Выходное напряжение может быть рассчитано по формуле:

Имея напряжение R1 равное 1кОм и R2 равное 10кОм, коэффициент усиления будет равен 11.

Рис. 6.9. Неинвертирующий усилитель, реализованный на макетной плате

Буферный усилитель

Что произойдет, если мы соединим выход непосредственно с инвертирующим входом? Мы имеем усилитель с коэффициентом усиления один. Зачем нужен усилитель, который не усиливает? Этот тип усилителя также называется буфером, он является очень полезным инструментом, поскольку служит в качестве изолятора: использует высокий входной импеданс для предотвращения рассеивания или поглощения очень слабых сигналов и выводит их к выходу, который может обеспечить наиболее высокие токи.

Рис. 6.10. Схема буферного усилителя с единичным усилением

Чтобы понять принцип его действия, мы должны учитывать погрешность сигнала, то есть разность между сигналом, подаваемым на неинвертирующий вход (U₊), и инверсным входным сигналом (U_–). Выходной сигнал подается на вход, и если оба сигнала должны быть равны, то разница между U₊ и U_– должна равняться нулю.

U₊ – U_– = 0

Наблюдая схему, мы можем видеть, что U+ равно входному сигналу U_bxи U– равно выходному сигналу Uвых. Тогда мы можем переписать формулу следующим образом:

U_bx

– U_вых = 0,

а затем, убедиться, что входной и выходной сигнал идентичны:

U_bx = U_вых

Генератор массы

Рис. 6.11. Электрическая схема генератора массы, состоящего из делителя напряжения и буфера

Операционные усилители требуют двойного питания. Мы можем использовать две батареи, соединенные последовательно, с напряжением 0 В в точкеих соединения друг с другом. Если у нас есть один источник питания, мы также можем использовать делитель напряжения с двумя резисторами со значениями в несколько десятков килоом. Делители однако не гарантируют стабильное напряжение, оно может изменяться в зависимости от подключения других компонентов.

С операционным усилителем, построенным по принципу буфера, мы можем «защитить» делитель и создать напряжение 0 В, соответствующее напряжению на входе. Операционный усилитель не поглощает ток от делителя напряжения, сохраняя тем самым падение напряжения, которое мы находим на резисторах.

Смеситель