Тема 6. Каскады на операционных усилителях. Неинвертирующий усилитель напряжения

6.1. Ключевые положения

А

Рисунок 6.1 – Схема неинвертирующего усилителя

В неинвертирующем усилителе, схема которого дана на рис. 6.1, входной сигнал подается на неинвертирующий вход. Поэтому фазы напряжений U_вх и U_вых совпадают.

Для определения коэффициента усиления учтём, что отрицательная ОС выравнивает потенциалы входов ОУ, поэтому: U_і = U_вх. Напряжение U_і относительно корпуса также является выходным напряжением делителя R2; R1, подключенного к выходной цепи усилителя, поэтому

U_вх = U_вых . (6.1)

Из формул (5.8) и (6.1) находим коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

К_{и н} = + 1. (6.2)

Сопоставляя формулы (5.15) и (6.2), видим, что К_и н больше К_и и на единицу. Для больших коэффициентов усиления (К_{и н} >> 1) это не имеет значения, а для небольших значений К_{и н} единица влияет существенно.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя велико, так как равно сопротивлению входа собственно ОУ.

6.2. Задание для расчета

1. Разработайте схему неинвертирующего усилителя.

2. Рассчитайте значения сопротивлений резисторов и выберите их номинальные значения по шкале Е24.

3. Рассчитайте требуемый коэффициент усиления неинвертирующего усилителя по заданным значениям входного и выходного напряжений.

4. Рассчитайте полученный коэффициент усиления неинвертирующего усилителя по значениям сопротивлений резисторов цепи ООС.

5. Сравните полученные результаты расчетов и сделайте выводы о погрешности расчетов.

6. Приведите в масштабе временные диаграммы напряжений разработанного каскада.

6.3. Исходные данные

1. Амплитуда входного напряжения U_{m вх} =(0,1 + 0,01N) В.

2. Амплитуда выходного напряжения U_{m вых} = (5 + 0,7М) В.

3. Сопротивление нагрузки R_н = 2 кОм.

6.4. Выполнение расчета

1. Разработка схемы.

Схема неинвертирующего усилителя дана на рис. 6.1. Далее необходимо пояснить все обозначения на схеме.

На схеме рис. 6.1 обозначены:

А – операционный усилитель;

R₁, R₂ – сопротивления цепи отрицательной обратной связи;

R_н – сопротивление нагрузки;

U_вх – входное напряжение;

U_вых – выходное напряжение;

+E₁, –E₂ – источники питания, как правило, одинаковые по величине.

2. Расчет схемы

   1. Рассчитываем амплитуду тока в цепи нагрузки

I_mн = .

2) Выбираем значение амплитуды тока в цепи обратной связи из соотношения

I_m2 = (0,02…0,05)I_mн.

Выбираем, например, значение: I_m2 = 0,04I_mн.

3) Так как амплитуды токов I_m1 и I_m2 равны, то:

I_m1 = I_m2.

4) Определяем сопротивление резистора во входной цепи

R₁ =. .

5) Определяем сопротивление резистора в цепи обратной связи

R₂ = .

6) Выбираем значения сопротивлений резисторов R₁ и R₂ по таблице из ряда Е24:

R₁ = , R₂ = .

7) Рассчитываем заданный коэффициент усиления напряжения

K_u = .

8) Поскольку значения сопротивлений резисторов R₁ и R₂ выбраны номинальных значений, то полученный коэффициент усиления разработанного неинвертирующего усилителя может отличаться от заданного значения. Поэтому рассчитываем коэффициент усиления напряжения разработанного неинвертирующего усилителя

К_{и н} = + 1.

9) Сравниваем значения K_u и K_uи и находим относительную погрешность коэффициента усиления разработанного инвертирующего усилителя

10. Делаем вывод о полученном результате: относительная погрешность не должна превышать значение: ± 5 %.

11) Строим эпюры U_вх = f(t) : U_вых = f(t) в масштабе.

U_вх

U_вых

Рисунок 6.2 – Эпюры напряжений неинвертирующего усилителя