Схемы включения ОУ

Операционный усилитель (ОУ) — универсальный аналоговый элемент, который сам по себе бесполезен: его коэффициент усиления (100 000–1 000 000 раз) слишком велик для практического использования. Но подключив к нему резисторы и конденсаторы в цепи обратной связи, можно получить десятки полезных схем — от точного усилителя до генератора частоты.

Два входа и обратная связь

ОУ имеет два входа: неинвертирующий (+) и инвертирующий (−). Разница напряжений между ними умножается на коэффициент усиления (обозначается A). Если A = 100 000, то разница в 0,01 мВ на входах даст 1 В на выходе. Это слишком грубо — любой шум будет усилен до максимума.

Решение — отрицательная обратная связь (ООС): часть выходного сигнала возвращается на инвертирующий вход через резисторы. ООС «усмиряет» усиление: чем больше сигнала возвращается, тем меньше общий коэффициент. Зато усиление становится стабильным и предсказуемым — оно определяется только внешними резисторами, а не капризами самого ОУ.

Инвертирующий усилитель

Сигнал подаётся на инвертирующий вход (−) через резистор R1. Обратная связь — резистор R2 между выходом и инвертирующим входом. Неинвертирующий вход (+) подключён к земле. Коэффициент усиления: K = −R2/R1. Знак минус означает инверсию: положительный входной сигнал даёт отрицательный выходной и наоборот. Если R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм, то K = −10: входной сигнал усиливается в 10 раз с инверсией.

Неинвертирующий усилитель

Сигнал подаётся на неинвертирующий вход (+). Обратная связь — та же: R2 между выходом и инвертирующим входом, R1 между инвертирующим входом и землёй. Коэффициент усиления: K = 1 + R2/R1. Знак плюс — фаза сигнала не меняется. При R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм: K = 11. Преимущество перед инвертирующей схемой — очень высокое входное сопротивление (мегаомы), что важно при измерении слабых сигналов с датчиков.

Повторитель напряжения

Простейшая схема: выход подключён напрямую к инвертирующему входу (R2 = 0, R1 = ∞). K = 1 — выходное напряжение точно равно входному. Зачем? Повторитель согласует импеданс: он принимает сигнал от источника с высоким сопротивлением (например, пьезодатчик) и передаёт его нагрузке с низким сопротивлением (усилитель мощности) без потери напряжения. Это как переводчик, который ничего не добавляет, но связывает двух людей, говорящих на разных языках.

Другие полезные схемы

Сумматор — инвертирующая схема с несколькими входными резисторами: выходное напряжение равно сумме (с инверсией) входных сигналов. Используется в аудиомикшерах для смешивания звуковых каналов. Интегратор — вместо резистора R2 стоит конденсатор. Выход пропорционален интегралу входного сигнала по времени — используется в аналоговых вычислительных машинах и генераторах пилообразного сигнала. Компаратор — ОУ без обратной связи: сравнивает два напряжения и выдаёт логическую «1» или «0» — используется в АЦП (аналогово-цифровых преобразователях) и пороговых детекторах.

Фильтры — комбинация резисторов и конденсаторов в обратной связи создаёт фильтры: ФНЧ (пропускает низкие частоты, блокирует высокие), ФВЧ (наоборот), полосовой (пропускает только узкую полосу). Активные фильтры на ОУ заменили громоздкие индуктивные фильтры в аудиотехнике, радиоприёмниках и медицинском оборудовании.