Изучение базовых схем на операционных усилителях

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра биотехнических систем

отчет

по лабораторной работе №7

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника»

Тема: Изучение базовых схем на операционных усилителях

Студент гр. 7501		Исаков А.О.
Преподаватель		Анисимов А.А.

Санкт-Петербург

2020

Цель работы

Исследование работы операционных усилителей общего назначения при работе в составе базовых схем: инвертирующего усилителя, неинвертирующего усилителя, дифференциального усилителя (усиление разностного сигнала, подавление синфазного), релаксационного генератора низких частот с фиксированной и изменяемой скважностью, генератора треугольных импульсов.

Используемое оборудование

Работа выполняется в виде компьютерной симуляции с использованием САПР Micro-Cap 12.

Основные теоретические положения

Операционный усилитель (ОУ) – интегральный компонент, обладающий дифференциальным входом и имеющий очень большой коэффициент усиления.

Свойства идеального ОУ:

1. Входное сопротивление идеального ОУ стремится к бесконечности.

2. Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

3. Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой.

4. Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах (бесконечная рабочая полоса частот).

5. Разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами равна нулю.

Из вышеуказанных свойств следуют два правила расчета ОУ:

• Разность входа между инвертирующим и неинвертирующим входом равна нулю: .

• Входы ОУ не потребляют ток: .

Рассмотрим базовые схемы на операционном усилителе.

Ход выполнения лабораторной работы:

1. Инвертирующий усилитель

Входные данные:

Входной сигнал – синусоида

F = 6 Гц

A = 0.5

;

Операционный усилитель LF411

Рисунок 1 - Инвертирующий усилитель

Рисунок 2 - Анализ переходных процессов инвертирующего усилителя

Исходя из рисунка заметно, что коэффициент усиления 7, исходя из соотношения входного и выходного сигналов, как и планировалось.

2. Неинвертирующий усилитель

Входные данные:

Входной сигнал – синусоида

F = 6 Гц

А = 0.5

Операционный усилитель LF411

Рисунок 3 - Неинвертирующий усилитель

Рисунок 4 - Анализ переходных процессов неинвертирующего усилителя

3. Сумматор на операционном усилителе

С помощью сумматора можно суммировать сигналы на инвертирующем входе ОУ (благодаря виртуальному нулю), при этом, играя номиналами резисторов в цепи обратной связи, получать взвешенную сумму этих сигналов. В ходе задания складываются три синусоиды с разной частотой (200 мГц, 4 Гц и 30 Гц). Эта схема может быть очень полезной при моделировании на практике тех или иных сигналов, содержащих разные частотные составляющие.

Рисунок 5 - Сумматор

Рисунок 6 - Анализ переходных процессов сумматора

4. Дифференциальный усилитель на ОУ

Входные данные:

Входной сигнал – синусоида

F = 6 Гц

A = 0,5

Операционный усилитель LF411

Рисунок 7 - Дифференциальный усилитель

Рисунок 8 - Анализ переходных процессов дифференциального усилителя

Из рис. 8 видно, что коэффициент подавления синфазного сигнала .

Собираем схему дополнительного источника сигнала для проверки усиления дифференциального сигнала (рис. 9). Анализ переходных процессов для данной схемы приведён на рис. 10.

Рисунок 9 - Дополнительный источник сигнала для проверки усиления дифференциального сигнала

В качестве второго источника используется сигнал с того же самого генератора, который подается на делитель напряжения и повторитель. Использовать инвертированный сигнал сразу с генератора нельзя, поскольку собрать такую схему на стенде не выйдет.

Рисунок 10 - Анализ переходных процессов дополнительного источника сигнала

По результатам расчетов К_дифф К_синф К_ОСС

5. Релаксационный генератор

Входные данные:

F = 6 Гц

Скваженность 2

Конденсатор начинает заряжаться до напряжения UПИТ+ с постоянной времени τ = R⸱C. Когда напряжение на конденсаторе достигнет половины напряжения источника питания, ОУ переключает свой выход в состояние отрицательного насыщения (поскольку положительная обратная связь через делитель обеспечивает работу ОУ как триггера Шмитта) и конденсатор начинает разряжаться до UПИТ– с той же самой постоянной времени. Этот цикл повторяется бесконечно, с периодом , который не зависит от напряжения источника питания.

Конденсатор в данной схеме заряжается от питания ОУ. Для того, чтобы схема работала адекватно, необходимо в VALUE для компонента конденсатора задать условие, отражающее, что конденсатор изначально заряжен IC.

Рисунок 11 - Релаксационный генератор

Рисунок 12 - Анализ переходных процессов релаксационного генератора

Далее собираем схему с переменной скважностью, добавляя пару диодов 1N4148 (рис. 13).

Рисунок 13 - Релаксационный генератор с переменной скваженностью

Меняя соотношение резисторов R2 и R1, задаем разную скважность.

Рисунок 14 - Скваженность импульсов релаксационного генератора (приблизительно 90% периода)

R₁=15 кОм, R₂=110 кОм, скважность .

Рисунок 15 - Скваженность импульсов релаксационного генератора (приблизительно 10% периода)

R₁=15 кОм, R₂=110 кОм, скважность .

6. Генератор треугольных импульсов

Входные данные:

F = 6 Гц

Рисунок 16 - Генератор треугольных импульсов на двух ОУ

Рисунок 17 - Анализ переходных процессов простого генератора треугольного напряжения

Выводы

В ходе данной лабораторной работы была исследована работа операционных усилителей общего назначения в схемах инвертирующего и неинвертирующего, дифференциального усилителя, а также сумматора, релаксационного генератора низких частот с фиксированной и изменяемой скважностью и генератора треугольных импульсов. Схемы сопровождают необходимые теоретические сведения и математические расчёты, приведены графики переходных процессов для каждой исследуемой схемы.