III. Требования к оформлению отчета

Отчет по работе должен содержать:

• схемы исследуемых устройств;

• таблицы с результатами измерений;

• графики.

IV. Краткие теоретические сведения

Операционные усилители представляют собой широкополосные усилители напряжения постоянного тока, которые в определенном частотном диапазоне усиливают также и напряжения переменного тока. Зависимость коэффициента усиления от частоты К(ω) называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя.

Если в инвертирующем усилителе резистор R_oc заменить конденсатором C_oc, то получится интегрирующий усилитель (интегратор). По своим характеристикам он является фильтром низких частот (рис. 6.6).

а) б)

Рис. 6.6. Интегратор на ОУ:

а – схема включения; б – временные диаграммы

Действительно, U_вх = R1∙i_вх, а U_вых = U_с (см. рис. 6.3).

Так как

то

Следовательно,

В интеграторе (см. рис. 6.6) выходное напряжение пропорционально интегралу от входного напряжения. Во время переходного процесса в цепи RС₁, протекающего при подаче на вход схемы сигнала U_н в виде скачка напряжения, интегрирующий усилитель (интегратор) работает в линейном режиме. Этому режиму соответствует процесс интегрирования.

Если входное напряжение постоянно, то

где τ = R_вх∙C_ос – постоянная времени.

Перед началом интегрирования интегратор надо «сбросить» на ноль. Это обусловлено тем, что вследствие неидеальности ОУ на конденсаторе С может быть накоплен значительный заряд, который вызывает появление выходного напряжения, близкого к максимально достижимому. Для «сброса» на ноль параллельно конденсатору С подключают нормально разомкнутый контакт кнопки.

Интеграторы широко применяют при создании генераторов линейно изменяющегося и синусоидального напряжений, в качестве фильтров низких частот и пр.

При замене резистора R_oc конденсатором C_oc схема на рис. 6.4 преобразуется в схему фильтра высоких частот или схему дифференциатора.

Усилитель, выполненный по схеме рис. 6.7, имеет на выходе напряжение, пропорциональное производной входного напряжения.

а) б)

Рис. 6.7. Дифференциатор на ОУ: а – схема включения ОУ;

б – временные диаграммы при разных формах U_вх

В рассматриваемой схеме токи i_вых и i_ос можно выразить через напряжения следующем образом: –C_вхdu_вх/dt = u_вых/R_ос, поэтому U_вых = –R_осC_вхdU_вх/dt.

Следовательно, выходное напряжение равно измененной в R_осC_вх раз производной по времени входного напряжения.

Наряду с широким использованием в операционных усилителях обратных связей по току значительное применение в них получили и обратные связи по напряжению. Отрицательная обратная связь по напряжению, как известно, стабилизирует работу усилителя, повышает его входное сопротивление, а следовательно, усилители с обратными связями по напряжению целесообразно использовать для регулирования и измерения напряжения.

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Он является автогенератором и работает без подачи входного сигнала (рис. 6.8).

а) б)

Рис. 6.8. Автоколебательный мультивибратор: а – схема на ОУ; б – временные диаграммы

Основой мультивибратора, построенного на ОУ, является компаратор, для которого опорным напряжением U_оп является напряжение, подаваемое через делитель R1R3 на неинвертирующий вход. Величина его определяется из выражения

Через интегрирующую цепь R2C1 выход ОУ подключен к инвертирующему входу, напряжение на котором изменяется по экспоненте.

Принцип работы мультивибратора основан на использовании положительной обратной связи. Устройство (рис. 6.8, а) содержит времязадающую цепочку, включающую сопротивление R2 и конденсатор С1, и цепь положительной обратной связи, состоящую из потенциометрического делителя, реализованного на сопротивлениях R1 и R3. ОУ используется в качестве компаратора, состояние которого изменяется при выполнении такого условия:

• если U_вх+ > U_вх–, то U_вых = U_м+;

• если U_вх+ < U_вх–, то U_вых = U_м–.

Допустим, что при подключении ОУ к питанию на его выходе установилось напряжение U_вых = U_м+ (рис. 6.8, б). Это вызовет заряд конденсатора по цепи LR2C1. Заряд будет длиться до тех пор, пока U_вх– не достигнет уровня U_вх+ = βU_м+. Как только U_c(t) достигнет уровня U_вх+, состояние ОУ изменится в соответствии с приведенным ранее условием и на его выходе установится напряжение U_вых = U_м–. Теперь на неинвертирующем входе установится напряжение U_вх+ = βU_м–, а конденсатор С₁ начнет перезаряжаться до уровня U_c(t) = U_м–. Таким образом, процесс заряда-перезаряда С₁ будет определяться изменением состояний ОУ.

Можно считать, что пока напряжение на конденсаторе C₁ меньше (по модулю) напряжения делителя, выходное напряжение остается неизменным. В момент равенства входных напряжений происходит изменение полярности выходного напряжения. Далее процесс повторяется на другой полярности.

Вывод. ОУ выполняет функции компаратора, ключа и источника напряжений заряда и разряда конденсатора.