В прошлой статье я начал рассказывать о применении ОУ в линейных схемах, в частности привёл различные схемы применения ОУ в неинвертирующем включении. Сегодняшняя статья продолжает тему ОУ в линейных схемах и будет описано применение инвертирующих ОУ.

Инвертирующий усилитель

Наибольшее распространение среди схем на ОУ, получила схема инвертирующего усилителя и производные от данной схемы: различные типы инвертирующих сумматоров. Схема инвертирующего усилителя показана ниже

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Инвертирующий усилитель.

Данная схема состоит из операционного усилителя DA1 и резисторов R1 и R2. В данной схеме операционный усилитель DA1 охвачен параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению.

Для рассмотрения работы данной схемы вспомним одно из основных соотношений в идеальном ОУ: напряжение между входами равно нулю. Исходя из этого, неинвертирующий и инвертирующий входы ОУ имеют одинаковый потенциал относительно общего вывода, в данном случае этот потенциал равен нулю (часто точку соединения резисторов R1 и R2 называют виртуальной землёй). Вследствие этого токи протекающие через резисторы R1 и R2 должны уравновешивать друг друга, то есть быть одинаковыми по значению но разными по знаку

где I_R1, I_R2 – токи, протекающие через резисторы R1 и R2 соответственно.

Исходя из этого, коэффициент усиления данной схемы составит

Знак «-» показывает, что выходной сигнал инвертирован по отношению к входному .

Входное сопротивление данной схемы получается из последовательно соединённых сопротивлений R1 и параллельно соединённых входного сопротивления ОУ R_BX.ОУ и уменьшенного в 1+K_ОУ раз сопротивления обратной связи R2

где К_ОУ – коэффициент усиления ОУ.

В общем случае, когда коэффициент усиления операционного усилителя К_ОУ имеет достаточно большую величину можно считать, что входное сопротивления инвертирующего ОУ будет равно сопротивлению R1.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя, состоящего из ОУ охваченного параллельной ООС по напряжению, вычисляется по той же формуле, что и неинвертирующий усилитель.

Выбор компонентов схемы

Для нормального функционирования схем необходимо, что бы в элементах не было превышения предельно допустимых параметров (ток, напряжение, мощность), поэтому при разработке схем существуют некоторые пределы в которых должны находиться значения пассивных компонентов.

В схеме инвертирующего усилителя такими компонентами являются резисторы R1 и R2. Сопротивление резистора R1 определяет входное сопротивление схемы. Его необходимо увеличивать, чтобы не допустить перегрузку источника сигнала, поэтому его сопротивление выбирают в пределах 1…10 кОм, реже десятков кОм.

Величина резистора R2 существенно влияет на шумовые параметры усилителя (с увеличением R2 растёт дрейф нуля), поэтому его необходимо выбирать минимальной величины. Однако на величину сопротивления R2 накладывается ограничение, по максимально допустимому выходному току ОУ, поэтому для большинства случаев можно рекомендовать выбирать R2 по следующей формуле

В общем случае величина сопротивления резистора R2 лежит в пределах 20…100 кОм, реже 0,1…10 Мом.

Инвертирующий сумматор

Работа данной схемы полностью соответствует своему названию, то есть на выходе схемы формируется сумма входных напряжений, а полярность напряжения меняется на обратную.

Существует несколько разновидностей инвертирующих сумматоров: сумматор с масштабными коэффициентами (нормирующий сумматор), усредняющий инвертирующий усилитель и инвертирующий сумматор с усилением, но все они представляют собой одинаковую схему, то разняться соотношения между входящими пассивными элементами. Ниже представлена схема инвертирующего сумматора с тремя входами

Инвертирующий сумматор на основе ОУ.

Инвертирующий сумматор в общем случае состоит из ОУ DA1, сопротивления обратной связи R4 входных резисторов R1, R2 и R3. Данная схема в своей основе построена на инвертирующем усилителе и поэтому напряжение на выходе ОУ инвертировано по отношению ко входному напряжению. Все соотношения соответствующие инвертирующему усилителю остаются справедливы и для инвертирующего сумматора.

Работа данной схемы основана на том, что на инвертирующем выводе DA1 создана виртуальная земля поэтому сумма токов протекающих через резисторы R1, R2 и R3 равна току протекающему через резистор R4

где I_R1, I_R2, I_R3, I_R4 – токи, протекающие через резисторы R1, R2, R3 и R4 соответственно.

Таким образом, напряжение на выходе схемы будет равно сумме напряжений на входах схемы умноженных на соответствующие коэффициенты усиления

В зависимости от соотношения между коэффициентами усиления разных входных каналов (К1, К2, К3), а в общем случае между сопротивления резисторов R1, R2, R3 и R4 данная схема может выполнять различные действия между входными сигналами, а на выходе получать результат этих действий.

Смеситель сигналов

В смесителе сигналов сумма входных напряжений равна выходному напряжению. Для реализации данного функционала необходимо, чтобы входные сопротивления и сопротивление обратной связи имели одинаковое значение. В этом случае коэффициент усиления по каждому каналу будет равен единице

В смесителе сигналов входные напряжения U_BX1, U_BX2 и U_BX3, а следовательно входные токи не взаимодействуют друг с другом, так как на инверсном входе ОУ создана виртуальное заземление. Данное свойство является очень полезным для смешивания сигналов звуковой частоты. К примеру, источниками входных сигналов являются микрофоны, то сигналы поступающие с них будут суммироваться или смешиваться. Таким образом использую такой инвертирующий сумматор сигнал с одного микрофона не пойдёт на другие микрофоны, поэтому достаточно легко реализовать схему регулирования громкости. В этом случае достаточно поставить переменный резистор до одного из входных резисторов.

Инвертирующий сумматор с усилением

Инвертирующий сумматор с усилением иногда называют масштабным усилителем или нормирующим сумматором. Он имеет схему аналогичную обычному инвертирующему сумматору, а особенности его работы заключаются в выборе величин резистора обратной связи и входных резисторов. Так если в смесителе сигналов все резисторы беруться одинакового номинала, чтобы коэффициент усиления в каждом канале был равен единице, то в сумматоре с усилением резистор обратной связи R4 не изменяется, а входные резисторы подбираются в зависимости от требуемого коэффициента усиления в канале

Инвертирующий сумматор с усилением находит применение в схемах, где в разные каналы усиления приходят сигналы с разными уровнями напряжения, а на выходе схемы необходимо получать одинаковый уровень сигнала для всех каналов усиления.

Усредняющий сумматор

Ещё одной функцией, которую может выполнять инвертирующий сумматор является получение среднего значения между входными напряжениями. Схемное решение аналогично предыдущим рассмотренным сумматорам, а отличие как обычно в номиналах резисторов обратной связи и входных.

В усредняющем сумматоре номиналы входных резисторов выбираются одинакового значения R, а номинал резистора в цепи обратной связи – в n раз меньше чем входные резисторы

где n – количество входных каналов.

Компенсация напряжения смещения

Одним из показателей качества операционных усилителей, является напряжение смещения, которое определяется, как напряжение, которое необходимо приложить к входным выводам ОУ, чтобы на выходе получить нулевое выходное напряжение. В идеальном ОУ для получения нулевого выходного напряжения необходимо нулевое входное напряжение.

При работе ОУ влияние напряжения смещения проявляется в том, что входной сигнал до того как появится на выходе, должен превысить напряжение смещения. Кроме того напряжение смещения также как и полезный сигнал усиливается ОУ.

Для устранения данного недостатка вводятся специальные цепи компенсирующие напряжение смещения, в простейшем случая такой цепью компенсации напряжения смещения является резистор, который включается между неинвертирующим входом ОУ и «землёй». Величина сопротивления данного резистора равна сопротивлению параллельно соединённых резисторов обратной связи и резистора на входе ОУ. Так для инвертирующего усилителя сопротивление компенсации напряжения смещения будет вычисляться по следующей формуле

А для инвертирующего сумматора с тремя входами

При конструировании схем на ОУ, после расчёта сопротивления смещения необходимо выполнить более точную регулировку таким образом, чтобы разность напряжений между входами была минимальной.