Как делители напряжения задают усиление в неинвертирующих и инвертирующих усилителях на ОУ

Добавление делителя напряжения в цепь отрицательной обратной связи ОУ означает, что на инвертирующий вход возвращается только часть выходного сигнала. Результат — выход, который является предсказуемым кратным входного. Соединения питания опущены для простоты.

При R₁ = R₂ = 1 кОм и входе 6 В ОУ должен выдать 12 В на выходе, чтобы удержать инвертирующий вход на 6 В. Делитель заставляет выход быть в два раза больше входа.

Можно рассмотреть схему через ток через R₁. Левая сторона R₁ на земле, правая — на 6 В, поэтому на R₁ падает 6 В и течёт 6 мА справа налево. Поскольку входы ОУ практически не потребляют тока, тот же ток течёт через R₂, создавая на нём ещё 6 В. Сумма двух напряжений даёт 12 В на выходе.

Куда девается 6 мА? Он течёт от положительной шины питания, через выходной пин ОУ, через R₂, через R₁ — на землю. 6-вольтовый источник лишь заставляет ОУ уравновесить входы; он не питает делитель.

Изменение номиналов резисторов меняет общее усиление. Общая формула усиления:

Усиление никогда не может быть ниже 1. Если R₂ = 0, схема превращается в повторитель напряжения с единичным усилением. Увеличение R₂ относительно R₁ неограниченно повышает усиление.

Так как полярность выхода совпадает с входом, эта конфигурация называется неинвертирующим усилителем.

Роль дифференциального усиления ОУ

После включения отрицательной обратной связи внутреннее дифференциальное усиление ОУ (200 000 или 250 000) практически не влияет на поведение схемы. Внешнее отношение резисторов задаёт замыкнутое усиление, в отличие от транзисторных усилителей, где β сильно влияет на характеристики.

Инвертирующий усилитель с заземлённым неинвертирующим входом

Теперь рассмотрим вход, поданный на нижнее плечо делитера, а неинвертирующий вход заземлён:

Отрицательная обратная связь заставляет инвертирующий вход быть виртуальной землёй (0 В). При R₁ = R₂ = 1 кОм и входе 6 В слева выход должен уйти в –6 В, чтобы удержать среднюю точку на 0 В.

Усиление для этой конфигурации:

Здесь усиление может быть меньше 1, а полярность выхода противоположна входу — поэтому схема называется инвертирующим усилителем.

Выводы

• Прямое соединение инвертирующего входа ОУ с выходом создаёт повторитель напряжения с единичным усилением.
• Использование делителя напряжения для обратной связи превращает схему в неинвертирующий усилитель; усиление = 1 + R₂/R₁, полярность выхода совпадает с входом.
• Подача входа на нижнее плечо делитера (неинвертирующий вход заземлён) даёт инвертирующий усилитель; усиление = –R₂/R₁, полярность инвертирована.
• Во всех случаях внешнее отношение резисторов задаёт замыкнутое усиление, делая внутреннее дифференциальное усиление ОУ несущественным.