Курс 6 • Урок 6 из 8 • 3 часа учебной нагрузки

Инвертирующие и неинвертирующие схемы на ОУ

Цель: Освоить расчёт инвертирующих и неинвертирующих усилителей на ОУ и понимать входное сопротивление, знак и ограничения.

3 часа короткая теория, самостоятельная практика, проверка результата и тест.

Суть темы

Две базовые схемы с отрицательной обратной связью позволяют задавать усиление точным отношением резисторов. Инвертирующий усилитель подаёт сигнал через Rin на инвертирующий вход и создаёт виртуальный узел около потенциала неинвертирующего входа. Неинвертирующая схема подаёт сигнал непосредственно на V+ и имеет высокое входное сопротивление.

Формулы работают, пока ОУ находится в линейном режиме, имеет достаточные GBW/slew rate и может сформировать требуемый выход. Поэтому расчёт усиления всегда дополняют проверкой питания и диапазона сигнала.

  • Инвертирующее усиление Av=−Rf/Rin.
  • Входное сопротивление инвертирующей схемы по сигналу примерно равно Rin.
  • Неинвертирующее усиление Av=1+Rf/Rg и имеет положительный знак.
  • Повторитель напряжения — случай неинвертирующей схемы с Av≈1.
  • Резисторы ОС влияют также на шум, входные токи и частотные паразитики.

Ключевые связи и параметры

В инвертирующей схеме ток через Rin примерно равен току через Rf, потому что вход ОУ потребляет очень мало тока. Виртуальный узел не является настоящей землёй: он поддерживается обратной связью и не должен использоваться как силовая точка.

На однополярном питании сигнал часто смещают относительно виртуальной опоры Vref, а не относительно 0 В. Все формулы применяются к отклонениям относительно этой опоры.

Av(inv) = −Rf / RinAv(noninv) = 1 + Rf / Rg

Разбор примера

Rin=10 кОм, Rf=47 кОм: инвертирующее усиление −4,7. Вход 0,2 В относительно опоры требует около −0,94 В изменения выхода. Если питание/опора не позволяют такой размах, выход насыщается.

Неинвертирующая схема Rg=10 кОм, Rf=90 кОм даёт Av=10. Сигнал 100 мВ превращается примерно в 1 В, если полоса и swing достаточны.

Практическая работа и проверка

Соберите обе схемы с одинаковым модулем усиления и сравните фазу и входную нагрузку.

  1. Рассчитайте пары резисторов для |Av|≈5.
  2. Соберите инвертирующую схему и измерьте знак/фазу выхода.
  3. Измерьте фактическое усиление и сравните с отношением резисторов.
  4. Соберите неинвертирующую схему и повторите измерения.
  5. Повышайте частоту и наблюдайте отклонение реального усиления от низкочастотного расчёта.
Перед подачей сигнала проверьте, что требуемый выход остаётся внутри допустимого swing ОУ.

Типичные ошибки и диагностика

  • Забывать знак минус в инвертирующей схеме.
  • Считать виртуальную землю физически низкоомным источником 0 В.
  • Игнорировать входное сопротивление Rin инвертирующего каскада.
  • Подбирать усиление без проверки GBW и выходного размаха.

Если усиление неверно уже на низкой частоте, проверяют номиналы и соединение ОС. Если отклонение появляется только на высокой частоте — GBW/ёмкости. Если обрезается вершина — output swing или slew rate.

Связь с реальным устройством

Инвертирующая и неинвертирующая схемы превращают большой открытый gain ОУ в предсказуемое замкнутое усиление, заданное обратной связью.

Что нужно запомнить

  • Инвертирующее Av=−Rf/Rin.
  • Неинвертирующее Av=1+Rf/Rg.
  • Инвертирующий входной импеданс задаётся Rin.
  • Виртуальная земля существует благодаря обратной связи.
  • Расчёт резисторов всегда проверяют по GBW и допустимому выходному диапазону.
Проверка знаний

Вопросы по уроку

Нужно 75%
Загрузка вопросов…