Неинвертирующий повторитель напряжения
Владельцы патента RU 2604879:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ФГБОУВО ЮЗГУ) (RU)
Изобретение относится к схемотехнике, автоматике, промышленной электронике и измерительной технике. Оно может быть использовано, в частности, в виде буферных (развязывающих) каскадов и согласующих устройств. Техническая задача решается посредством того, что в неинвертирующий повторитель напряжения, содержащий операционный усилитель, введена совокупность четырех дополнительных элементов и изменено включение элементов, дополнительные первый и второй резисторы включены между собой последовательно, свободный вывод первого из них подключен к выводу имеющегося операционного усилителя, а свободный вывод второго заземлен, дополнительный конденсатор включен параллельно первому дополнительному резистору, общий вывод первого, второго дополнительных резисторов и дополнительного конденсатора соединен с неинвертирующим входом дополнительного операционного усилителя, его выход соединен с его инвертирующим входом, а также образует выход неинвертирующего повторителя напряжения относительно «земли», общий вывод инвертирующего входа и выхода дополнительного операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом имеющегося операционного усилителя. Технический результат - повышение точности передачи напряжения. 1 ил.
Изобретение относится к схемотехнике, автоматике, промышленной электронике и измерительной технике. Оно может быть использовано, в частности, в виде буферных (развязывающих) каскадов и согласующих устройств.
Известен повторитель напряжения [Манаев Е.И. Основы радиоэлектрики.- М.: Радио и связь, 1985, рис. 10.18 на стр.237], содержащий операционный усилитель, вход повторителя образует неинвертирующий вход операционного усилителя, а выход - выход операционного усилителя, инвертирующий вход операционного усилителя соединен с его выходом.
Недостатком его является то, что амплитуда выходного напряжения принципиально меньше амплитуды входного напряжения. Выходное напряжение повторителя определяется выражением
(1)
где 
- выходное напряжение повторителя, 
- его входное напряжение и k - коэффициент передачи, который, в принципе, меньше единицы
(2)
где K - коэффициент усиления операционного усилителя. Встречается потребность в значении коэффициента передачи, весьма близком к идеальному значению, равном плюс единице (k=1).
Известен повторитель [Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985, рис. 1.14 на стр.24], содержащий операционный усилитель, к неинвертирующему входу которого подключен резистор, свободный вывод последнего образует вход повторителя относительно «земли», между выходом и неинвертирующим входом операционного усилителя включены параллельно соединенные встречно включенные два диода, выход повторителя образует выход операционного усилителя, который также соединен с инвертирующим входом, между выходом и «землей» включены последовательно соединенные встречно включенные два стабилитрона.
Недостатком его является то, что амплитуда выходного напряжения меньше амплитуды входного напряжения. В схеме предусмотрены элементы для ослабления вредного влияния входной емкости операционного усилителя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранная в качестве прототипа схема повторителя напряжения [Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника.-М.: Горячая линия - Телеком, 2003, рис. 8.1, стр.288], содержащая операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с его выходом и образует выход схемы повторителя напряжения относительно «земли», неинвертирующий вход которого соединен с его выходом и образует выход схемы повторителя напряжения относительно «земли», неинвертирующий вход операционного усилителя образует вход схемы повторителя напряжения относительно «земли».
Недостатком ее является то, что амплитуда выходного напряжения меньше амплитуды входного напряжения. Имеется потребность в получении значения коэффициента передачи схемы повторителя напряжения, близком к идеальному значению, равном плюс единице.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении получения значения коэффициента передачи неинвертирующего повторителя напряжения, близком к идеальному значению, равном единице.
Это достигается тем, что в неинвертирующий повторитель напряжения, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого образует вход неинвертирующего повторителя напряжения относительно «земли», введена совокупность четырех дополнительных элементов и изменено включение элементов, дополнительные первый и второй резисторы включены между собой последовательно, свободный вывод первого их них подключен к выводу имеющегося операционного усилителя, а свободный вывод второго заземлен, дополнительный конденсатор включен параллельно первому дополнительному резистору, общий вывод первого, второго дополнительных резисторов и дополнительного конденсатора соединен с неинвертирующим входом дополнительного операционного усилителя, его выход соединен с его инвертирующим входом, а также образует выход неинвертирующего повторителя напряжения относительно «земли», общий вывод инвертирующего входа и выхода дополнительного операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом имеющегося операционного усилителя.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1).
Неинвертирующий повторитель напряжения содержит операционный усилитель 1, неинвертирующий вход которого образует вход неинвертирующий повторителя напряжения относительно «земли». Выход операционного усилителя 1 подключен к последовательно соединенным резисторам 2 и 3, свободный вывод последнего заземлен. Параллельно резистору 2 подключен конденсатор 4. Общий вывод двух резисторов 2, 3 и конденсатора 4 соединен с неинвертирующим входом дополнительного операционного усилителя 5. Выход этого операционного усилителя образует выход неинвертирующего повторителя напряжения, а также соединен с его инвертирующим входом. Общий вывод инвертирующего входа и выхода операционного усилителя 5 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 1.
В исходном состоянии при отсутствии входного сигнала (
) значения напряжений на входах и выходах имеющихся двух операционных усилителей неинвертирующего повторителя напряжения равны нулю.
Неинвертирующий повторитель напряжения работает следующим образом. При воздействии входного сигнала (
) выходное напряжение определяется выражением
(3)
где 
и 
- коэффициенты усиления операционных усилителей 1 и 5, γ - коэффициент передачи электрической цепи на резисторах 2 и 3, который определяется формулой
(4)
где 
- сопротивление резистора 2 и 
- сопротивление резистора 3. Коэффициент передачи неинвертирующего повторителя напряжения находится из выражения
(5)
В аварийных режимах максимальное выходное напряжение (справочный параметр) операционного усилителя 1 
может превысить допустимое входное напряжение операционного усилителя 5
. Для устранения этого введена электрическая цепь (делитель напряжения) на резисторах 2 и 3. При этом коэффициент передачи делителя должен удовлетворять условию
(6)
В то же время сумма сопротивлений и не должна быть меньше значения минимального сопротивления нагрузки (
) операционного усилителя 1 (справочный параметр)
(7)
Операционные усилители имеют входную паразитную емкость. Входная емкость
(
) операционного усилителя 5 шунтирует резистор 3, поэтому конденсатор 4 (
) введен для ослабления искажения передаваемого сигнала на высоких частотах. Тогда значение коэффициента передачи делителя на сопротивления и должно равняться значению коэффициента передачи делителя на емкостях () и (
).
(8)
Значение максимального выходного напряжения многих операционных усилителей находится в районе десяти вольт. Допустимое входное напряжение для них лежит в районе единиц вольт. Значения коэффициента передачи γ из (6) определяется не на пределе, а с некоторым запасом и предположительно находится в районе значений 0,3 - 0,7.
Таким образом, инвертирующий повторитель напряжения позволяет обеспечить значение коэффициента передачи весьма близким к идеальному значению. Так при одинаковых операционных усилителях, например, 
коэффициенты передачи имеют значения в прототипе (2) - 
а в инвертирующем повторителе напряжения (5) -
Неинвертирующий повторитель напряжения, содержащий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого образует вход неинвертирующего повторителя напряжения относительно «земли», отличающийся тем, что в него введена совокупность четырех дополнительных элементов и изменено включение элементов, дополнительные первый и второй резисторы включены между собой последовательно, свободный вывод первого из них подключен к выводу имеющегося операционного усилителя, а свободный вывод второго заземлен, дополнительный конденсатор включен параллельно первому дополнительному резистору, общий вывод первого, второго дополнительных резисторов и дополнительного конденсатора соединен с неинвертирующим входом дополнительного операционного усилителя, его выход соединен с его инвертирующим входом, а также образует выход неинвертирующего повторителя напряжения относительно «земли», общий вывод инвертирующего входа и выхода дополнительного операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом имеющегося операционного усилителя.
