30-09-2021, 09:58
Инвертирующий усилитель - одна из самых простых и часто используемых аналоговых схем. С помощью всего двух резисторов можно определить желаемое усиление. И даже ничто не мешает коэффициенту усиления быть меньше 1, т.е. сделать усилитель аттенюатором (делителем напряжения).
Часто добавляется еще один резистор R3 с сопротивлением, равным R1 и R2, подключенным параллельно.
Чтобы понять, как работает инвертирующий усилитель, смоделируем работу простой схемы. На входе напряжение 4 В, а резисторы R1 = 1к и R2 = 2к. Вы, конечно, можете поместить все это в формулу и сразу же вычислить результат, но давайте посмотрим, как именно работает эта схема.
Начнем с того, что вспомним основные принципы работы операционного усилителя, которые описаны в материале о повторителе напряжения.
Правило 1 - операционный усилитель воздействует своим выходом на вход через отрицательную обратную связь, так что напряжения на инвертирующем (-) и неинвертирующем (+) входе равны друг другу.
Обратите внимание, что неинвертирующий вход (+) подключен к земле, что означает, что он имеет напряжение 0 В. Согласно этому правилу, инвертирующий вход (-) также должен быть 0 В.
Итак, мы знаем напряжение между выводами резистора R1 и его сопротивление, равное 1 кОм. Таким образом, можем выполнить расчет, называемый законом Ома, и вычислить, сколько тока проходит через этот резистор. Это I = U / R = (4V-0V) / 1 кОм или 4 мА. Чтобы узнать, где течет этот ток, необходимо знать еще один принцип работы усилителя.
Правило 2 - входы усилителя не потребляют ток
Значит, ток через R1 также течет через R2.
Опять же, воспользуемся законом Ома и рассчитаем напряжение на резисторе R2. Мы знаем его сопротивление, знаем, какой ток проходит через него, поэтому U = IR = 4mA * 2k = 8 В. У нас на выходе 8 В? Напомним, что это инвертирующий усилитель, поэтому если входное напряжение положительное, то выходное должно быть отрицательным. Как это случилось? Ток протекает через R1 и вызывает падение напряжения на 4 вольта - с четырех вольт до нуля. Этот ток протекает через R2 и вызывает еще одно падение напряжения на 8 В, то есть с 0 В до -8 В, и это напряжение находится на выходе усилителя.
Есть еще одна вещь, связанная с другим правилом:
Правило 3 - Входное и выходное напряжения должны быть между положительным и отрицательным напряжением питания.
Таким образом, мы должны проверить, являются ли рассчитанные напряжения реалистичными, достижимыми для усилителя. Часто новички думают, что усилитель работает как вечный двигатель и генерирует напряжение из ничего, при этом необходимо помнить, что усилителю для работы тоже нужна энергия. Классически усилители питаются от -15 В и + 15 В. В такой ситуации -8 В, которые мы рассчитали, - это реальный результат, которого может достичь усилитель, потому что он находится в этом диапазоне. Но современные усилители часто питаются от 0 В и 5 В или ниже. В такой ситуации нет шансов, что усилитель получит на выходе -8 В. При разработке схем усиления всегда помните, что теоретические расчеты всегда должны сопоставляться с реальностью.
Мы уже знаем, что повторитель напряжения не нагружает источник сигнала, потому что входы усилителя имеют очень высокое сопротивление, поэтому они потребляют ток настолько малый, что в большинстве случаев его можно игнорировать (правило 2). Инвертирующий усилитель имеет такое же входное сопротивление, что и R1, и в практических схемах оно находится в диапазоне 1 кОм ... 1 МОм. Для сравнения: усилитель с входом на полевом транзисторе имеет сопротивление порядка сотен мегомов или даже гигаомов. Поэтому иногда может потребоваться установка повторителя напряжения перед инвертирующим усилителем.
Часто добавляется еще один резистор R3 с сопротивлением, равным R1 и R2, подключенным параллельно.
Чтобы понять, как работает инвертирующий усилитель, смоделируем работу простой схемы. На входе напряжение 4 В, а резисторы R1 = 1к и R2 = 2к. Вы, конечно, можете поместить все это в формулу и сразу же вычислить результат, но давайте посмотрим, как именно работает эта схема.
Начнем с того, что вспомним основные принципы работы операционного усилителя, которые описаны в материале о повторителе напряжения.
Правило 1 - операционный усилитель воздействует своим выходом на вход через отрицательную обратную связь, так что напряжения на инвертирующем (-) и неинвертирующем (+) входе равны друг другу.
Обратите внимание, что неинвертирующий вход (+) подключен к земле, что означает, что он имеет напряжение 0 В. Согласно этому правилу, инвертирующий вход (-) также должен быть 0 В.
Итак, мы знаем напряжение между выводами резистора R1 и его сопротивление, равное 1 кОм. Таким образом, можем выполнить расчет, называемый законом Ома, и вычислить, сколько тока проходит через этот резистор. Это I = U / R = (4V-0V) / 1 кОм или 4 мА. Чтобы узнать, где течет этот ток, необходимо знать еще один принцип работы усилителя.
Правило 2 - входы усилителя не потребляют ток
Значит, ток через R1 также течет через R2.
Опять же, воспользуемся законом Ома и рассчитаем напряжение на резисторе R2. Мы знаем его сопротивление, знаем, какой ток проходит через него, поэтому U = IR = 4mA * 2k = 8 В. У нас на выходе 8 В? Напомним, что это инвертирующий усилитель, поэтому если входное напряжение положительное, то выходное должно быть отрицательным. Как это случилось? Ток протекает через R1 и вызывает падение напряжения на 4 вольта - с четырех вольт до нуля. Этот ток протекает через R2 и вызывает еще одно падение напряжения на 8 В, то есть с 0 В до -8 В, и это напряжение находится на выходе усилителя.
Есть еще одна вещь, связанная с другим правилом:
Правило 3 - Входное и выходное напряжения должны быть между положительным и отрицательным напряжением питания.
Таким образом, мы должны проверить, являются ли рассчитанные напряжения реалистичными, достижимыми для усилителя. Часто новички думают, что усилитель работает как вечный двигатель и генерирует напряжение из ничего, при этом необходимо помнить, что усилителю для работы тоже нужна энергия. Классически усилители питаются от -15 В и + 15 В. В такой ситуации -8 В, которые мы рассчитали, - это реальный результат, которого может достичь усилитель, потому что он находится в этом диапазоне. Но современные усилители часто питаются от 0 В и 5 В или ниже. В такой ситуации нет шансов, что усилитель получит на выходе -8 В. При разработке схем усиления всегда помните, что теоретические расчеты всегда должны сопоставляться с реальностью.
Мы уже знаем, что повторитель напряжения не нагружает источник сигнала, потому что входы усилителя имеют очень высокое сопротивление, поэтому они потребляют ток настолько малый, что в большинстве случаев его можно игнорировать (правило 2). Инвертирующий усилитель имеет такое же входное сопротивление, что и R1, и в практических схемах оно находится в диапазоне 1 кОм ... 1 МОм. Для сравнения: усилитель с входом на полевом транзисторе имеет сопротивление порядка сотен мегомов или даже гигаомов. Поэтому иногда может потребоваться установка повторителя напряжения перед инвертирующим усилителем.
