Неинвертирующий повторитель напряжения
NONINVERTING VOLTAGE REPEATER

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 соединён с его выходом.
Недостатком его является то, что амплитуда выходного напряжения меньше амплитуды входного напряжения. Выходное напряжение повторителя определяется выражением
(1)
где – выходное напряжение повторителя, – его входное напряжение и k – коэффициент передачи, который меньше единицы
(2)
где K – коэффициент усиления операционного усилителя.
Встречается потребность в значении коэффициента передачи весьма близком к идеальному значению, равном плюс единице.
Известен повторитель [Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем.- М.: Радио и связь, 1985, рис. 1.14, б на стр. 24], содержащий операционный усилитель, к неинвертирующему входу которого подключён резистор, свободный вывод последнего образует вход повторителя относительно «земли», между выходом и неинвертирующим входом операционного усилителя включены параллельно соединённые встречно включенные два диода, выход повторителя образует выход операционного усилителя, который также соединён с инвертирующим входом, между выходом и «землей» включены последовательно соединённые встречно включённые два стабилитрона.
Недостатком его является то, что амплитуда выходного напряжения меньше амплитуды входного напряжения. В схеме предусмотрены элементы для ослабления вредного влияния входной ёмкости операционного усилителя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа неинвертирующий повторитель напряжения (Патент РФ № 2604879. Неинвертирующий повторитель напряжения / Г.И. Передельский - опубл. Бюл. 2016, № 35), содержащий два операционных усилителя, два резистора и конденсатор, неинвертирующий вход первого операционного усилителя образует вход неинвертирующего повторителя напряжения относительно «земли», а выход второго операционного усилителя образует выход относительно «земли» неинвертирующего повторителя напряжения.
Недостатком его является то, что значение амплитуды выходного напряжения меньше значения амплитуды входного напряжения, т.е. значение коэффициента передачи k меньше единицы
(3)
где  и − коэффициенты усиления первого и второго операционных усилителей соответственно и  – коэффициент передачи делителя на двух последовательно соединённых резисторах, значение которого лежит в районе десятых долей от единицы (0,3÷0,7). Имеется потребность в получении значения коэффициента передачи повторителя напряжения, близком к идеальному значению, равном плюс единице
(4)
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в увеличении значения коэффициента передачи неинвертирующего повторителя напряжения и приближении его к идеальному значению, равному единице (4).
Это достигается тем, что в неинвертирующий повторитель напряжения, содержащий два операционных усилителя, два резистора и конденсатор, неинвертирующий вход первого операционного усилителя образует относительно «земли» вход неинвертирующего повторителя напряжения, инвертирующий вход второго операционного усилителя соединён с инвертирующим входом первого, к выходу первого операционного усилителя подключена цепь из последовательно соединённых первого и второго резисторов, свободный вывод последнего заземлён, а параллельно первому резистору включён конденсатор, общий вывод двух резисторов и конденсатора соединён с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, введены дополнительный операционный усилитель, дополнительные первый и второй резисторы, дополнительный конденсатор и изменено включение элементов, выход дополнительного операционного усилителя образует относительно «земли» выход инвертирующего повторителя напряжения, инвертирующий вход дополнительного операционного усилителя соединён с его выходом и с общим выводом инвертирующих входов двух имеющихся операционных усилителей, к неинвертирующему входу дополнительного операционного усилителя подключены первый и второй дополнительные резисторы и дополнительный конденсатор, свободные выводы первого дополнительного резистора и дополнительного конденсатора подключены к выходу имеющегося второго операционного усилителя, а свободный вывод второго дополнительного резистора заземлён.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1)
Неинвертирующий повторитель напряжения содержит операционные усилители: первый 1, второй 2 и третий 3. Неинвертирующий вход операционного усилителя 1 образует вход относительно «земли» неинвертирующего повторителя напряжения. Инвертирующий вход этого первого усилителя 1 соединён с инвертирующим входом второго 2, с инвертирующим входом и выходом третьего операционного усилителя 3. Также этот выход третьего усилителя образует выход относительно «земли» неинвертирующего усилителя напряжения. Между выходом первого операционного усилителя 1 и «землёй» включена цепь из последовательно соединённых первого 4 и второго 5 резисторов, параллельно первому из них 4 включен первый конденсатор 6. Общий вывод резисторов 4, 5 и конденсатора 6 соединён с неинвертирующим входом второго операционного усилителя 2. К неинвертирующему входу третьего операционного усилителя 3 подключены третий резистор 7, четвёртый резистор 8 и второй конденсатор 9. Свободные выводы резистора 7 и конденсатора 9 подключены к выводу второго операционного усилителя 2, а свободный вывод резистора 8 заземлён.
В исходном состоянии при отсутствии входного сигнала () значения напряжений на входах и выходах имеющихся трёх операционных усилителей неинвертирующего повторителя напряжения равны нулю.
Неинвертирующий повторитель напряжения работает следующим образом. При воздействии входного сигнала () выходное напряжение определяется выражением
(5)
где ,  и  – коэффициенты усиления операционных усилителей 1, 2 и 3,  и – коэффициенты передачи электрических цепей на резисторах 4 и 5, 7 и 8 соответственно, которые определяются формулами:
(6)
где  – сопротивление резистора 4,  – сопротивление резистора 5,  – сопротивление резистора 7 и  – сопротивление резистора 8.
Коэффициент передачи неинвертирующего повторителя напряжения находится из выражения
(7)
В аварийных режимах максимальное выходное напряжение (справочный параметр) операционного усилителя 1  может превысить допустимое входное напряжение (справочный параметр) операционного усилителя 8. Для устранения этого введена электрическая цепь (делитель напряжения) на резисторах 4 и 5. При этом коэффициент передачи делителя должен удовлетворять условию
(8)
В то же время сумма сопротивлений  и  не должна быть меньше значения минимального сопротивления нагрузки () операционного усилителя 1 (справочный параметр)
(9)
Операционные усилители имеют входную паразитную ёмкость. Входная ёмкость () операционного усилителя 2 шунтирует резистор 5, поэтому конденсатор 6 () введён для ослабления искажения передаваемого сигнала на высоких частотах. Тогда значение коэффициента передачи делителя на сопротивлениях  и  должно равняться значению коэффициента передачи делителя на ёмкостях и .
(10)
Последние положения для операционных усилителей 1 и 2 справедливы и для операционных усилителей 2 и 3. В частности, при одинаковых операционных усилителях 1, 2 и 3 формулам (8), (9) и (10) соответствуют нижеследующие выражения:
(11)
(12)
(13)
Значение максимального выходного напряжения многих операционных усилителей находится в районе десяти вольт. Допустимое входное напряжение для них лежит в районе единиц вольт. Значения коэффициентов передачи  и  из (8) и (11) выбираются не на пределе, а с некоторым запасом и предположительно находятся в районе значений 0,3 – 0,7.
Таким образом, инвертирующий повторитель напряжения позволяет увеличить значение коэффициента передачи и приблизить его к идеальному значению, равному единице. Коэффициенты усиления большинства операционных усилителей имеют весьма большие значения. Если в рассмотренной схеме (фиг. 1) и в прототипе все операционные усилители одинаковы, то можно записать
(14)
что подтверждает увеличение коэффициента передачи.