Операционный усилитель потребляет очень небольшой входной ток (ОУ типа LF411 потребляет 0,2 нА; ОУ со входами на полевых транзисторах - порядка пикоампер); сформулируем правило 2:
Входы операционного усилителя ток не потребляют.
Здесь необходимо дать пояснение: правило 1 не означает, что операционный усилитель действительно изменяет напряжение на своих входах. Это невозможно. (Это было бы не совместимо с правилом 2.) Операционный усилитель "оценивает" состояние входов и с помощью внешней схемы ОС передает напряжение с выхода на вход, так что в результате разность напряжений между входами становится равной нулю (если это возможно).
ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
Неинвертирующий усилитель
Схема неинвертирующего усилителя на ОУ показана на рис.86. и содержит последовательную обратную связь по напряжению.
В соответствии с ранее принятыми допущениями 
и 
а коэффициент усиления 
что совпадает с полученным ранее результатом при анализе усилителя с последовательной ООС по напряжению.
Очевидно, что из схемы неинвертирующего усилителя можно получить повторитель напряжения при 
или 
.
Инвертирующий усилитель
Рассмотрим схему на рис. 3. Проанализировать ее будет нетрудно, если вспомнить сформулированные правила:
1. Потенциал точки B равен потенциалу земли, следовательно, согласно правилу I, потенциал точки A также равен потенциалу земли.
2. Это означает, что: а) падение напряжения на резисторе R2 равно Uвых, б) падение напряжения на резисторе R1 равно Uвх.
3. Воспользовавшись теперь правилом II, получим Uвых/R2 = -Uвх/R1, или коэффициент усиления по напряжению = Uвых/Uвх = R2/R1. Позже вы узнаете, что чаще всего точку B лучше заземлять не непосредственно, а через резистор. Однако сейчас это не имеет для вас значения.
Эти правила создают достаточную основу для рассмотрения схем на операционных усилителях.
К базовым аналоговым вычислительным устройствам относятся сумматор, интегратор и дифференциатор. Они используются в различных измерительных преобразователях и корректирующих звеньях, а также при моделировании систем управления. Как правило, эти устройства выполняются на базе ОУ по схеме инвертирующего усилителя (рисунок 6.2), обеспечивающего максимальную точность. Выходное напряжение инвертирующего усилителя равно
VOUT= - Rs/R1
Рисунок 6.2 – Принципиальная схема инвертирующего усилителя
Схема двухвходового сумматора представлена на рисунке 2.13. Каждый вход сумматора соединяется с инвертирующим входом ОУ через взвешивающий резистор (R1, R2… Rn). Инвертирующий вход называется суммирующим узлом, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи. Как и в обычном инвертирующем усилителе, напряжение на инвертирующем входе равно нулю (вследствие действии ООС), следовательно, равен нулю и ток, втекающий в ОУ. Таким образом,
Is=Il+I2+...+In и I1=U1/R1,I2=U2/R2,..., In=Un/Rn.
Так как напряжение на инвертирующем входе примерно равно нулю, то Uo=Is Rs. После преобразований получаем выражение дли выходного напряжения сумматора в следующем виде
Uo= - Rs(U1/R1 + U2/R2 + … Uр/Rn).
Рисунок 6.3 – Принципиальная схема двухвходового сумматора реализующего формулу VOUT(X1)= – U1 – 0.5 U2
Порядок выполнения работы:
1. Изучить теорию по учебному пособию «Лекции по электронике» В.Л. Землякова (лекция №1).
2. Исследовать работу инвертирующего и не инвертирующего усилителя на ОУ
2.1. Нарисовать в схемном редакторе Micro Cap, схемы электрические принципиальные инвертирующего и не инвертирующего усилителя напряжения (Рисунок 6.4). В качестве входных источников сигнала (V3 и V4) использовать источник синусоидального напряжения с следующими параметрами:
- Частота 1 кГц
- Амплитуда напряжения 1В
- Напряжение смешения 0,5В
- Фаза 0
Рисунок 6.4 – Инвертирующий и не инвертирующий усилитель напряжения на ОУ
2.2. Рассчитать номиналы резисторов (R2, R5) так чтобы коэффициент передачи усилителей (КП в значение в скобках соответствуют КП инвертирующего усилителя) был равен заданному значению в Таблица 6.1.
Таблица 6.1 - Варианты задания для выполнения работы
| №в. | Формула | Кп | №в. | Формула | Кп | №в. | Формула | Кп |
| VOUT=U1+U2 | 1 (-0.7) | VOUT=1.1*U1+2*U2 | 4 (-4) | VOUT=0.75*U1+2*U2 | 1.8 (-2) | |||
| VOUT=-U1-0,8*U2 | 1.5 (-0.1) | VOUT=-2*U1-0,8*U2 | 4.2 (-4.1) | VOUT=-0,25*U1-0,12*U2 | 2 (-2.3) | |||
| VOUT=-0,5*U1-0,2*U2 | 1.6 (-0.5) | VOUT=-1,5*U1-0,4*U2 | 4.4 (-3.8) | VOUT=-1,31*U1-0,24*U2 | 2.2 (-2.5) | |||
| VOUT=-2*U1-1.5*U2 | 1.8 (-2) | VOUT=-1.2*U1-0.5*U2 | 4.5 (-0.4) | VOUT=-1.01*U1-0.4*U2 | 2.4 (-2.8) | |||
| VOUT=-1.5*U1-1.2*U2 | 2 (-2.3) | VOUT=-0.5*U1-3.2*U2 | 5 (-0.2) | VOUT=-0.4*U1-1.22*U2 | 2.7 (-3.4) | |||
| VOUT=-1.7*U1-0.55*U2 | 2.2 (-2.5) | VOUT=-0.7*U1-0.33*U2 | 3 (-3) | |||||
| VOUT=-1.1*U1-U2 | 2.4 (-2.8) | VOUT=-0.31*U1-U2 | 3.2 (-3.2) | |||||
| VOUT=-2.2*U1-U2 | 2.5 (-3.2) | VOUT=-0.22*U1-U2 | 3.4 (-3.4) | |||||
| VOUT=-U1-1.3*U2 | 2.7 (-3.4) | VOUT=-U1-0.77*U2 | 3.8 (-3.8) | |||||
| VOUT=-2.1*U1-U2 | 3 (-3.6) | VOUT=-0.15*U1-U2 | 4.9 (-4.9) |
2.3. Сохранить схему
2.4. Выполнить анализ «Переходные процессы…» (Alt + 1)
2.5. Зарисовать полученные осциллограммы и определить коэффициент передачи усилителя.
По исходным данным (Таблица 2.3) рассчитать параметры взвешивающих резисторов так чтобы сумматор реализовывал заданную формулу.
Нарисовать схему двухвходового сумматора реализующего вашу формулу в окне схемного редактора MICROCAP. В качестве источников входного сигнала (U1, U2) использовать источники синусоидального напряжения со следующими параметрами для U1 f=1кГц, Uампл.=1В. И для U2 f=2кГц, Uампл.=1В
Проверить правильность реализации заданной функции, произведя анализ переходных характеристик (Transient ALT+1) разработанной схемы, со следующими параметрами анализа: время анализа 1 мС, вывод на 1 график осциллограммы 3 сигналов (U1, U2, VOUT(X1)). Так же следует помнить что выходное напряжение (VOUT(X1) операционного усилителя X1 не может превысить напряжения питания (V3,V4 = 15В).
Умножить заданную формулу на -1 и реализовать получившуюся формулу.
Содержание отчета:
Две схемы электрических принципиальных двухвходовых сумматоров реализующих заданные формулы;
Результаты моделирования схемы, осциллограммы входных (U1, U2) и выходных напряжения VOUT(X1));
Расчеты;
Вывод о проделанной работы.
