Для создания контура с обратной связью и точным коэффициентом усиления потребуется микросхема с высоким входным сопротивлением. Возьмите LM741 или современный аналог OPA2134 – они обеспечивают стабильность параметров при изменении нагрузки.
Входной сигнал подается через резистор R1 на инвертирующий вход. Номинал R1 определяет входное сопротивление узла: для аудиочастот подойдет 10 кОм, в прецизионных схемах – от 1 кОм до 100 кОм. Обратная связь задается резистором R2: соотношение R2/R1 устанавливает коэффициент передачи. Например, при R1=5 кОм и R2=50 кОм выходное напряжение будет в 10 раз больше входного, но с инверсией фазы.
Неинвертирующий вход соедините с землей через резистор R3, равный параллельному сопротивлению R1 и R2. Это компенсирует входные токи смещения. Для R1=10 кОм и R2=100 кОм выберите R3=9.1 кОм – ближайший стандартный номинал.
Содержание материала
Как работает усилитель с обратной связью
Для построения контура с отрицательной обратной связью подключите выход к инверсному входу через резистор обратной связи (Rf), а сигнал подавайте через входной резистор (Rin). Коэффициент усиления (K) определяется соотношением сопротивлений: K = −Rf/Rin. Отрицательный знак указывает на смену фазы сигнала.
Расчёт параметров
Выбирайте Rf в диапазоне 1–100 кОм для минимизации шумов. Например, при Rin=10 кОм и Rf=50 кОм усиление составит −5. Для стабильности работы избегайте значений Rf выше 1 МОм.
Практические нюансы
Подключите неинвертирующий вход к земле через резистор (Rgnd), равный параллельному сопротивлению Rin и Rf, чтобы снизить ошибки из-за входных токов. Используйте прецизионные резисторы с допуском 1% или менее.
Для высокочастотных сигналов добавьте конденсатор параллельно Rf (3–10 пФ) для компенсации паразитных ёмкостей. Проверьте частотную характеристику по datasheet микросхемы.
Расчёт коэффициента усиления
Коэффициент усиления (K) определяется отношением сопротивлений Rос и Rвх по формуле: K = −Rос / Rвх. Знак минус указывает на изменение фазы сигнала.
Пример: при Rос = 100 кОм и Rвх = 10 кОм получаем K = −10. Увеличение Rос в два раза даст K = −20.
Для точного расчёта учитывайте:
- Сопротивление Rос не должно превышать 1 МОм во избежание шумов.
- Rвх выбирают в диапазоне 1–100 кОм для минимизации влияния входного тока.
- Паразитная ёмкость монтажа может снизить K на высоких частотах.
Для коррекции частотной характеристики добавьте конденсатор параллельно Rос. Его ёмкость (C) рассчитывается как C = 1 / (2πfсрRос), где fср – частота среза.
Почему выходной сигнал меняет знак на противоположный
Полярность сигнала изменяется из-за подачи входа на отрицательную клемму устройства. Входной ток проходит через резистор R1, создавая падение напряжения, которое сравнивается с нулём на инверсном входе. Отрицательная обратная связь через R2 компенсирует это падение, формируя выход с противоположным знаком.
Как формируется инверсия
Закон Кирхгофа для токов в узле инверсного входа требует равенства I1 = -I2. Поскольку напряжение на входах одинаково (виртуальный ноль), выходное напряжение вычисляется как Vout = -Vin × (R2/R1). Коэффициент усиления определяется только соотношением резисторов.
Ключевые условия:
- Отрицательная клемма должна оставаться под нулевым потенциалом
- Коэффициент передачи всегда отрицательный
- Фаза сигнала сдвигается на 180°
