Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы разность напряжений между его входами была равна нулю

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 (К_П в значение в скобках соответствуют К_П 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.