4. Исследование инвертирующего сумматора.

1. Выбрать резисторы R₁, R₂ и R_ос для двухвходового инвертирующего сумматора (рис. 6.4) используя данные таблицы 6.2 и формулу 6.4.

2. Собрать схему сумматора и измерить выходное напряжение U_вых при подаче на входы напряжений:

а)

б)

в)

3. Подать на вход 1 синусоидальное напряжение U_вх1=0,5В, на вход 2 постоянное напряжение U_вх2=+0,5В и зарисовать осциллограмму выходного напряжения U_вых.

4. Сравнить теоретические (по формуле 6.4) и экспериментальные значения

коэффициента усиления k_Uос

4. Исследование компаратора

4.5.1. Собрать схему компаратора (рис. 6.5),

Снять и построить передаточную характеристику U_вых=f (U_вх1). Значение U_оп взять из таблицы 6.2.

4.5.2. Зарисовать в масштабе осциллограммы выходного напряжения U_вых при подаче входных напряжений:

1 ) 2)

4. Исследование интегратора (выполняется факультативно)

4.6.1. Исследовать работу интегратора (рис. 6.9). Задание взять у преподавателя.

4. Исследование дифференциатора (выполняется факультативно)

4.7.1. Исследовать работу дифференциатора (рис. 6.10). Задание взять у преподавателя.

5. Краткие сведения из теории

О перационный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления и дифференциальным входом, выполненный в виде интегральной микросхемы. Такой усилитель обладает высоким коэффициентом усиления в полосе частот порядка единиц МГц, высоким входным и малым выходным сопротивлением (см. таблицу 6.1). Для упрощения расчетов схем с использованием ОУ часто прибегают к идеализации его параметров, считая что k_Uо→ ∞, R_вхoy→ ∞ и R_выхоу→ 0.

Условное обозначение ОУ показано на рис. 6.6. ОУ имеет два входа и один выход. Один из входов усилителя называется неинвертирующим (н), а второй – инвертирующим (и), и обозначается кружком. При подаче входного напряжения на неинвертирующий вход приращение выходного напряжения совпадает по фазе (знаку) с приращением U_вх1, т.е. U_вых=k_u0·U_вх1, где: k_U0- коэффициент усиления самого ОУ. Если входной сигнал подан на инвертирующий вход , то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала, т.е. U_вых=-k_u0·U_вх2. При подаче входного сигнала между входами ОУ усиливается разность входных сигналов: U_вых=k_u0·(U_вх1- U_вх2).

Если U_вх подается только на один вход ОУ, второй вход обязательно заземляется.

Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и отрицательными входными сигналами, используется двухполярное напряжение питания. Для этого необходимы два независимых источника постоянного питания Е_п1 иЕ_п2, которые подключаются одним из полюсов («+» или «-») к общей точке, являющейся общей шиной для входа и выхода. На принципиальных электрических схемах устройств питание ОУ обычно не показывают, чтобы не загромождать схему.

В связи с тем, что k_U0 достаточно большой (10³…10⁶), схемы на ОУ работают в линейном режиме только при введении отрицательной обратной связи (ООС). При отсутствии ООС или при введении положительной обратной связи, схемы на ОУ обладают нелинейными свойствами и выполняют функции компараторов, генераторов несинусоидальных сигналов.

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада усилителя.

Неинвертирующий усилитель (рис. 6.2) представляет собой ОУ, охваченный цепью последовательной ООС по напряжению с помощью резисторов R_ос и R₁. Входной сигнал подан на неинвертирующий вход. Напряжение обратной связи U_ос, снятое с нижнего плеча делителя R_ос-R₁ подается на входную цепь и вычитается из входного напряжения (U_вх-U_ос). Так как обратная связь отрицательная, то коэффициент обратной связи равен:

(6.1)

Известно, что коэффициент усиления усилителя с ООС равен:

и разделив числитель и знаменатель на K_Uо и учитывая, что K_Uо= ∞

п олучим:

(6.2)

Из формулы (6.2) видно, что k_Uос определяется лишь отношением сопротивлений и не зависит от k_Uо. Коэффициент усиления ОУ k_U0 зависит от ряда факторов (в первую очередь от температуры) и значительно различается в разных экземплярах микросхем одного типа. Введение ООС позволяет сделать коэффициент усиления схемы k_Uос высокостабильным. Стабилизация коэффициента усиления позволяет улучшить частотную характеристику схемы (расширяется полоса пропускания усилителя). Поскольку на входе усилителя действует сигнал (U_вх-U_ос)<U_вх, амплитудная (передаточная) характеристика U_вых=ƒ(U_вх) имеет большую линейную область, чем амплитудная характеристика ОУ без обратной связи. Это обозначает, что входные сигналы большей амплитуды будут передаваться без искажения. Кроме того, последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя до сотен кОм и снижает выходное сопротивление до десятков Ом.

Таким образом, введение ООС позволило за счет уменьшения коэффициента усиления усилителя улучшить другие параметры усилителя: увеличить стабильность коэффициента усиления и входное сопротивление, уменьшить выходное сопротивление, улучшить частотные и амплитудные характеристики.

Инвертирующий усилитель (рис. 6.3) представляет собой ОУ, охваченный цепью параллельной ООС по напряжению с помощью резистора R_ос и R₁. Входной сигнал подан на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход заземлен через резистор R₂.

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами для идеального ОУ (R_вх= ∞) принимается равной нулю, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли. Поэтому I₁= U_вх/R₁. Так как принято допущение, что входы ОУ не потребляют тока, то I_ос=I₁=U_вх/R₁. Выходное напряжение можно найти как падение напряжения от тока I_ос на резисторе R_ос (т.к. потенциал точки А примерно равен нулю)

отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя

(6.3)

Из формулы (6.3) видно, что коэффициент усиления k_ос зависит только от отношения сопротивлений R_ос/R₁ и не зависит от k_Uо, поэтому его стабильность очень высока. Выходной сигнал сдвинут по фазе относительно входного на 180º.

В отличие от неинвертирующего усилителя входное сопротивление схемы значительно ниже и определяется сопротивлением резистора R₁ (несколько кОм), то есть R_вх=R₁. Большое значение коэффициента k_Uо ОУ позволяет обеспечить достаточное усиление и при наличии обратной связи. Например, выбрав R_ос=1мОм, а R₁=10кОм, получим коэффициент усиления k_Uос= 100.

Суммирующий усилитель (рис. 6.4) является частным случаем инвертирующего усилителя, на выходе которого получается повернутый на 180º входной сигнал, пропорциональный алгебраической сумме входных сигналов. Поскольку точка суммирования токов А имеет нулевой потенциал (приняли потенциал инвертирующего входа равным нулю), можно записать I₁=U_вх1/R₁ I₂=U_вх/R₂. Ток в цепи обратной связи равен по 1 закону Кирхгофа сумме входных токов I_ос=I₁+I₂. Тогда выходное напряжение сумматора

. (6.4)

Из формулы (6.4) видно, что усиление по каждому входу можно регулировать, меняя сопротивление входной цепи. Достоинством сумматора на ОУ является то, что суммирование напряжений производится независимо друг от друга, то есть без взаимных помех источников суммируемых сигналов, так как эти сигналы суммируется относительно земли (в точке «кажущейся земли» А).

Компаратор (рис. 6.5)- устройство, сравнивающее напряжение сигнала на одном из входов (вход1) с опорным напряжением U_оп на другом входе (вход2). При использовании в качестве компаратора ОУ на его выходе будет устанавливаться положительное или отрицательное напряжение насыщения в зависимос ти от величины входных напряжений. Изменение выходного напряжения происходит при изменении знака разности двух сравниваемых напряжений

U_о=U_вх1-U_оп. Передаточная характеристика ОУ без обратных связей в области активной работы ОУ при U_вх1≈U_оп имеет резкий излом, т.к. U_вых=k_u0(U_вх1-U_оп ), а k_u0= ∞ (рис. 6.7). При U_вх1≈U_оп напряжение на выходе ОУ имеет максимальное отрицательное значение (ОУ находится в области н асыщения и его значение –U_вых.м на 2…3В выше напряжения источника питания–Е_п). При достижении входным напряжением опорного напряжения величина U_о=U_вх1-U_оп>0 меняет знак и полярность выходного напряжения ОУ изменяется на максимальное положительное значение +U_вых.м, которое также на 2…3 В не достигает +Е_п.

На рис. 6.8 показано, как происходит формирование выходного напряжения U_вых при сравнении синусоидального напряжения U_вх1 с постоянным напряжением U_оп. При U_вх<U_оп напряжение U_вых=-U_вых.м, при U_вх> U_оп

U_вых=+U_вых.м

И нтегратор создается на базе инвертирующего ОУ (рис. 6.9). В цепь ОС включен конденсатор С.

Как известно из курса ТОЭ

Поскольку R_вх= ∞, то i_c=-i_вх=-U_вх/R₁

Напряжение между входами ОУ равно нулю, поэтому U_вых=U_с.

(6.5)

Схема выполняет математическую операцию интегрирования.

При подаче на вход постоянных напряжений на выходе получается линейно-изменяющееся напряжение.

На основе интеграторов строятся различные схемы генераторов линейно-изменяющегося напряжения.

Д ифференциальный усилитель создается на базе инвертирующего усилителя (рис. 6.10).

Так как U_вх=U_с, а U_вых= R_осI_ос, то учитывая, что

получим:

(6.6)

Т.е. дифференциатор выполняет операцию дифференцирования.