Перейти к содержанию

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель — первая схема, которую разбирают в теме операционных усилителей: два резистора и ОУ, а коэффициент усиления определяется только их отношением. Сигнал на выходе перевёрнут по знаку, а вход схемы нагружает источник ровно одним резистором.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Инвертирующий усилитель — схема на операционном усилителе, в которой входной сигнал подают через резистор Rg на инвертирующий вход, неинвертирующий вход заземляют, а резистор Rf соединяет выход с инвертирующим входом. Обратная связь удерживает инвертирующий вход на потенциале земли — это виртуальная земля. Ток через Rg не может уйти в ОУ и целиком течёт через Rf, откуда (SLOD006B, разд. 3.3):

K=UвыхUвх=−RfRgK = \frac{U_\text{вых}}{U_\text{вх}} = -\frac{R_f}{R_g}

Свойства

ПараметрЗначение
Коэффициент усиления−Rf/Rg, любой по модулю, в том числе меньше 1
Фазавыход в противофазе входу
Входное сопротивлениеRg
Синфазное напряжение на входах ОУоколо нуля — входы на земле
Шумовое усиление1 + Rf/Rg

Усиление определяется только отношением резисторов: TI показывает, что 10 кОм / 10 кОм и 100 кОм / 100 кОм дают одно и то же −1. Абсолютные номиналы выбирают по другим соображениям — потребляемому току, влиянию паразитных ёмкостей, нагрузке на источник.

Плюсы и минусы

  • Плюс: входы ОУ не двигаются. Оба входа на земле, поэтому ОУ не нужен широкий диапазон синфазных напряжений, а ошибка из-за конечного КОСС не меняется вместе с сигналом.
  • Плюс: легко сложить сигналы. Несколько входных резисторов в одну виртуальную землю дают сумматор.
  • Минус: малое входное сопротивление. Источник видит Rg; для высокоомных датчиков это неприемлемо.
  • Минус: нужен отрицательный сигнал на выходе. При однополярном питании неинвертирующий вход подключают не к земле, а к средней точке, иначе выход упрётся в шину.

Не путать

В схеме кварцевого генератора Пирса «инвертирующим усилителем» называют логический инвертор внутри микроконтроллера — это не каскад на ОУ, см. генератор Пирса, кварцевый резонатор и схему кварцевого генератора. Неинвертирующая схема, у которой вход высокоомный, а усиление не меньше единицы, — в статье неинвертирующий усилитель. Расчёт обеих схем — в статье об операционном усилителе и в калькуляторе ОУ.

Частые вопросы

Почему входное сопротивление инвертирующего усилителя мало?

Потому что инвертирующий вход ОУ удерживается обратной связью на виртуальной земле, и источник сигнала видит только резистор Rg, подключённый к этой точке (SLOD006B, разд. 3.3). Для усиления 10 с Rg = 10 кОм вход нагружает источник 10 кОм. Если источнику это много, перед схемой ставят повторитель или используют неинвертирующий усилитель.

Как выбрать номиналы Rf и Rg, если важно только отношение?

По сопротивлению источника, потребляемому току и шуму. TI отмечает, что одинаковое усиление дают и 10 кОм / 10 кОм, и 100 кОм / 100 кОм, а номиналы определяют ток через цепь, влияние паразитных ёмкостей и другие свойства. Слишком малые номиналы нагружают выход ОУ и источник, слишком большие увеличивают шум и ошибку от входного тока ОУ.

Можно ли получить усиление меньше единицы?

Да: при Rf < Rg модуль усиления меньше 1, например Rf = 5 кОм и Rg = 10 кОм дают −0,5. В этом отличие от неинвертирующей схемы, у которой усиление не бывает меньше 1 (Kuphaldt, Vol. III, разд. 8.5–8.6). Но шумовое усиление и запас по устойчивости считают по 1 + Rf/Rg — для −0,5 это 1,5.

Источники

  1. Texas Instruments. Op Amps For Everyone, Design Reference, SLOD006B (August 2002) — разд. 3.3: неинвертирующий вход заземлён; обратная связь держит инвертирующий вход на виртуальной земле; ток через RG равен току через RF, по закону Кирхгофа VIN/RG = −VOUT/RF, откуда VOUT/VIN = −RF/RG (ур. 3-5); усиление зависит только от отношения RF/RG, номиналы 10 кОм или 100 кОм определяют потребляемый ток, влияние паразитных ёмкостей и другие свойства; при RF = RG = 10 кОм усиление −1; входное сопротивление схемы задаёт RG, поскольку инвертирующий вход на виртуальной земле
  2. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. III — Semiconductors, ch. 8 «Operational Amplifiers» (CC BY) — разд. 8.5: схема с заземлённым неинвертирующим входом и сигналом на нижнем конце делителя обратной связи — инвертирующий усилитель, AV = −R2/R1, усиление может быть меньше 1, выход противоположной полярности; разд. 8.6: в инвертирующей схеме возможны коэффициенты меньше 1 в отличие от неинвертирующей

Нашли ошибку?

Смотрите также