Ранее (статья 18) я уже писал, что операционный усилитель, это такой "кирпичик" из которого удобно строить электронные схемы. Давайте разбираться что именно можно из него построить.
Самый простой способ использования операционного усилителя- неинвертирующий буфер.
В данном случае мы видим, что выход операционного усилителя (обозначен цифрой 6) соединен с инвертирующим входом (цифра 2), а сигнал подается на неинвертирующий вход (цифра 3).
Именно такое подключение и означает, что:
1) сигнал на выходе совпадает по фазе с сигналом на входе (потому что мы подаём входной сигнал на неинвертирующий вход)
2) сигнал на выходе будет по амплитуде в точности равен сигналу на входу. (это достигается тем, что сигнал с выхода подаётся на инвертирующий вход). Подробнее об этом позже.
В данной схеме есть также несколько дополнительных элементов, давайте их рассмотрим, так как они часто будут встречаться.
1) Мы видим, что аудиосигнал с разъема попадает сначала на конденсатор C1. У конденсаторов есть очень интересное устройство - они представляют из себя две токопроводящие пластины, которые между собой не соединены. Из-за этого получается, что постоянный ток через конденсатор течь не может. А вот переменный - течет, как ни в чем не бывало.
Роль данного конденсатора - убрать из входного сигнала постоянную составляющую. Нам нужно оставить только переменный ток, ведь в нашем случае именно он передаёт информацию о звуке.
2) Резисторы R1 и R2 соединяют неинвертирующий вход с плюсом и минусом питания соответственно. Поскольку их номиналы равны между собой, то в точке их соединения будет постоянное напряжение, равное половине исходного, т.е. 4.5 вольта. Этим мы задаём постоянную составляющую для сигнала, который будет проходить через операционный усилитель. Он умеет работать с сигналом, который попадает в диапазон от минуса до плюса его собственного питания, поэтому, задав постоянную составляющую на 4.5 вольта, мы центруем входящий сигнал точно посередине диапазона и получаем оптимальный режим работы.
Если бы мы задали постоянную составляющую не строго по 4.5 вольта, а, например, больше (пусть будет 6 вольт), то получилось бы как на следующем рисунке: нижняя полуволна ещё имеет запас по амплитуде, а верхняя уже упёрлась в потолок и была отрезана, что привело к искажениям сигнала.
3) На выходе операционного усилителя мы имеем ту же постоянную составляющую, что и была на его входе. При этом в дальнейшем она нам может быть как нужна (например если дальше будет стоять ещё один операционный усилитель, то мы можем не задавать ему новую постоянную составляющую, а воспользоваться тем, что уже есть), так и не нужна. В данном случае она нам дальше не нужна, потому конденсатор C2 отсекает эту постоянную составляющую и пропускает далее только переменный ток.
***
Можно задать вопрос - а зачем нам вообще может понадобиться такое включение операционного усилителя, ведь по факту мы получаем на выходе точно такой же по амплитуде и фазе сигнал, что и был на входе?
А ответ прост - таким образом мы получаем усиленный сигнал по току. Ведь если на входе был сигнал, генерируемый звукоснимателем, то он был очень слаб и если бы мы нагрузили его слишком сильно, то амплитуда его бы многократно уменьшилась и громкость в итоге упала. После буфера мы получаем сигнал, который мы можем нагружать другими элементами схемы и он уже не потеряем громкости.
Если же на входе уже был сильный и уверенный сигнал (например поступивший с другой педали или с активных звукоснимателей), то буфер особой пользы не принесёт, но и вреда от него никакого не будет. Просто перестраховка (производитель ведь не может знать, какую педаль вы поставите первой в цепочке эффектов?).
При этом резисторы R1 и R2 задают входное сопротивление, по сути как раз и указывая, насколько сильно мы грузим входной сигнал. В данном случае входное сопротивление определяется параллельным соединением R1 и R2 и равно 500 килоом. (Да, на схеме они соединены последовательно, но оба ведут часть входного сигнала на постоянное напряжение питания, потому для входного сигнала их соединение выглядит как параллельное. Неинтуитивно, но факт).
Для гитарных педалей 1 мегаом считается нормальным входным сопротивлением, при этом снижение до 470 килоом - где -то по нижнему краю допустимого. У нас получается что мы попали в нужный диапазон, но например взял R1 и R2 номиналами по 2 мегаома, мы бы получили входное сопротивление ровно 1 мегаом, что предпочтительнее.
***
Резюмируя - подобное включение как правило встречается сразу на входе гитарной педали (реже - на самом выходе, чтобы например предотвратить потери сигнала на длинном кабеле, который потенциально может быть воткнут после педали), предназначено для сохранения формы и амплитуды исходного гитарного сигнала и недопущения его просадки от дальнейшей нагрузки.
В самом простейшем случае - именно так и устроены гитарные педали под названием "буфер", которые обычно ставят в самом начале педалборда и в самом его конце.