Указания к выполнению задачи 4

1. Расчет напряжения смещения производится приближенно. Так как по условию усилительный каскад не имеет связи по постоянному току с источником входного сигнала и обычно R₂<<R_вх, то постоянные составляющие токов I₁ и I₂ в резисторах R₁ и R₂ будут приближенно равны (I₁I₂) и эти резисторы можно рассматривать как делитель напряжения источника питания. Напряжение смещения U_смR₂I₂, где I₂U_пит/(R₁R₂).

2. Схема на рис 4.1 представляет собой усилительный каскад по схеме с ОЭ, содержащий последовательную ООС по току. Коэффициент усиления определяется по формуле (4.4).

3. Переменная составляющая выходного напряжения u_вых после расчета коэффициента усиления также может быть найдена по формуле (4.4): u_выхk_U u_вх. Постоянная U_вых0 составляющая выходного напряжения рассчитывается по формуле (3.4) с учетом того, что R₃I_к0k_UU_см: U_вых0U_питk_UU_см.

4. Временная диаграмма выходного напряжения строится в масштабе в соответствии с расчетом. В качественном виде она соответствует рис. 3.5,е.

Задача 5.

Ко входу инвертирующего усилителя, выполненного на операционном усилителе (рис. 5), приложено синусоидально изменяющееся во времени напряжение u_вхU_вх max sinωt. Рассчитать коэффициент передачи усилителя в комплексной форме, постоянную и переменную составляющие выходного напряжения u_вых, а также Построить временную диаграмму выходного напряжения.

Исходные данные для соответствующего варианта приведены в табл. 5.1.

Операционные усилители

Операционными называют усилители сигналов постоянного и переменного тока, обладающие большим коэффициентом усиления k_U (порядка 10⁵-10⁶), высоким входным r_вх и низким выходным r_вых сопротивлением. По своим параметрам операционный усилитель (ОУ) близок к идеальному, имеющему k_U , r_вх и r_вых0. Обычно эти усилители выполняют в интегральном исполнении (в виде микросхем). Выпускаются сотни типов ОУ, отличающиеся друг от друга схемным исполнением, характеристиками и параметрами, а также конструктивным оформлением.

Обычно ОУ содержит два входных зажима (инвертирующий и неинвертирующий входы) и один выходной. Наименование входа отражает относительное изменение фазы выходного сигнала. В частности, приложенный к инвертирующему входу сигнал, изменяющийся в одном направлении, вызывает изменение выходного сигнала в противоположном направлении. На условном обозначении ОУ (рис. 5) этот вход обозначается кружком или знаком «–». Такой же сигнал, приложенный к неинвертирующему входу, вызывает изменение выходного сигнала в том же направлении.

В обычном усилителе (рис. 3.5) полное выходное напряжение или положительно, или отрицательно в зависимости от полярности напряжения источника питания. Чтобы напряжение на выходе ОУ могло иметь любую полярность, для его питания используют два одинаковых источника (обычно 12…15 В), которые имеют противоположную полярность относительно общей точки – «земли».

Функциональные устройства на оу. Инвертирующий усилитель.

На ОУ можно построить практически любое функциональное устройство: различные виды усилителей, фильтров, генераторов, преобразователей, триггеров и т.д. Многие аналоговые устройства реализуются по схеме, когда источник входного сигнала подключается к инвертирующему входу.

На рис. 5а изображена схема инвертирующего усилителя на ОУ с параллельной ООС по напряжению. Цепь ООС состоит из элемента Z₂, входная цепь – из элемента Z₁. Резистор R, соединяющий «землю» с неинвертирующим входом, служит для выравнивания входных токов ОУ и подбирается таким образом, чтобы при отсутствии напряжения на входе постоянное выходное напряжение U_вых00.

а) б)

Рис. 5. Схема усилителя на ОУ (а) и временные диаграммы входного и выходного напряжений (б)

Получим выражение для коэффициента передачи инвертирующего усилителя на рис. 5а, считая ОУ идеальным. В комплексной форме коэффициент передачи определяется отношением комплексных значений выходного и входного сигналов: K_U U_вых/U_вх. С одной стороны, в идеальном ОУ R_вх, и поэтому I_вх0. Тогда по 1-му закону Кирхгофа I₁–I₂. С другой стороны, для получения конечного значения выходного напряжения на входе идеального ОУ при k_U  требуется бесконечно малое напряжение. Поэтому инвертирующий вход идеального ОУ имеет нулевой потенциал, и в соответствии со 2-м законом Кирхгофа U_вхZ₁I₁, U_вых–Z₂I₂. Отсюда получаем выражение для коэффициента передачи через параметры цепи ООС и входной цепи:

K_U U_вых/U_вх –Z₂/Z₁.

Устройство, схема которого изображена на рис. 5,а, является:

• при Z₁R₁ и Z₂R₂ – масштабным инвертирующим усилителем;

• при Z₁R₁ и – интегрирующим усилителем, а также может быть использовано в качестве активного фильтра низкой частоты (1-го порядка).

• при и Z₂R₂ – дифференцирующим усилителем, а также может быть использовано в качестве активного фильтра высокой частоты (1-го порядка).