Методические_указания_к_КП_МЭП_v1_2

На рисунке 19 присутствуют два входа, отмеченные знаками + и - ,

которые обозначают не входы питания, а именно сигнальные входы. Вход со знаком « + » называют прямым или неинвертирующим входом. Вход со знаком

« - » называют инвертирующим либо инверсным.

На УГО чаще всего входы питания либо совсем не отображают, либо отображают рядом отдельно на схеме. Если в документации или на схеме операционного усилителя не указаны выводы питания, то обычно предполагается двухполярное питание, где есть положительное напряжение

(+E, +U, VCC, Vc и т. д.) и отрицательное напряжение (-E, -U, VEE, VE и т. д.).

Это довольно распространенное вариант питания для операционных усилителей, и часто используются напряжения в пределах, например, +15 В и

-15 В. Однако, в зависимости от конкретной модели операционного усилителя,

диапазон рабочих напряжений может быть разным, и важно ознакомиться с документацией к конкретной микросхеме, чтобы убедиться в правильности подключения питания.

Принцип действия ОУ

Дифференциальные входы операционного усилителя представлены двумя выводами - « + » и « - » . В идеальных условиях операционный усилитель усиливает именно разницу напряжений между этими двумя входами. Эта разница называется дифференциальным напряжением на входе.

Выходной сигнал устанавливается близким к плюсу питающего напряжения,

когда потенциал на неинвертирующем входе становится более положительным, чем потенциал на инверсивном входе, и наоборот, выходной сигнал устанавливается близким к отрицательному значению питающего напряжения, если потенциал на инверсном входе становится более положительным.

41

Обратная связь в схемах с ОУ

Операционные усилители (ОУ) действительно обладают очень высоким коэффициентом усиления по напряжению и обычно используются с обратной связью (ОС) для управления и стабилизации их выходных характеристик.

Применение обратной связи позволяет настраивать и контролировать выходные характеристики ОУ, такие как коэффициент усиления, полоса пропускания, входное сопротивление и выходное сопротивление, делая их более предсказуемыми и стабильными. Обратная связь позволяет также создавать разнообразные функциональные устройства, такие как усилители с фиксированным коэффициентом усиления, интеграторы, дифференциаторы,

фильтры и многие другие.

Для обеспечения надежной работы операционного усилителя применяется отрицательная обратная связь, которая устанавливается путем подачи части выходного напряжения усилителя на его инвертирующий вход.

Эта замкнутая цепь обратной связи существенно уменьшает коэффициент усиления усилителя. При использовании отрицательной обратной связи общий коэффициент усиления схемы значительно более зависит от параметров цепи обратной связи, чем от характеристик операционного усилителя. Если цепь обратной связи содержит компоненты с относительно стабильными параметрами, то изменения характеристик операционного усилителя существенно не влияют на особенности работы схемы.

Передаточная функция схемы с операционным усилителем определяется математически через передаточную функцию. Проектирование схем с заданной передаточной функцией, использующих операционные усилители,

относится к области радиоэлектроники. Передаточная функция является важным аспектом во многих схемах, использующих операционные усилители,

таких как аналоговые компьютеры. Высокое входное сопротивление и низкое

42

выходное сопротивление также являются полезными характеристиками операционных усилителей.

Схемы на операционных усилителях

В реальных задачах встречаются ситуации требующие реализовать обработку аналоговых сигналов без применения ЦАП, АЦП,

микроконтроллеров и проч. Например, в качестве демонстрационной задачи можно привести следующее:

Для питания какого-то переносного устройства надо разработать и изготовить индикатор заряда батареи, выводящий заряд в процентах. В роли индикатора заряда будет служить обычный стрелочный микроамперметр на 100 мкА.

Рисунок 21. Микроамперметр

Для превращения его в индикатор заряда достаточно открыть корпус,

написать вместо μA «% заряда» и подключить последовательно резистор такого номинала, чтобы прибор отклонялся на 100% при напряжении 10 В.

43

Но для целей измерения заряда этого недостаточно. Для нашей задачи следует

научиться выполнять над аналоговой величиной – напряжением - следующие

функции:

1.В устройстве стоит литий-ионная батарея, имеющая напряжение полного заряда = 4.2 В а напряжение, при котором она считается полностью разряженной – 2.8 В. Следовательно, прибор должен показывать 0% при напряжении 2.8 В и 100% при напряжении 4.2 В.

2.Выведем формулу, в соответствии с которой схема должна обрабатывать сигнал, принимая его с аккумулятора и выдавая на стрелочный прибор:

Где:

Uвых = напряжение, поступающее на стрелочный прибор

Uвх = напряжение аккумулятора

2.8 В = напряжение на разряженном аккумуляторе

7.143 = коэффициент приведения

Собрать устройство, выполняющее эти математические операции,

совсем несложно, если использовать операционные усилители – на одном ОУ изготавливаем вычитатель, вычитающий из входящего напряжения эталонные

2.8 В, а на втором – усилитель (ну или умножитель, в данном случае),

умножающий сигнал на 7.143. И задача решена!

В нашей курсовой работе требуется в соответствии с вариантом разработать различные аналоговые схемы с применением операционных усилителей. Методы их расчёта, сами схемы и описание работы приводятся ниже:

44

1.Повторитель. Повторитель на ОУ называют простейшую схему,

фактически являющуюся усилителем напряжения с коэффициентом усиления = 1.

Рисунок 22. Повторитель на ОУ

Данная схема транслирует напряжение – Uвых строго равно Uвх. Смысл её использования состоит в усилении тока – входное сопротивление схемы очень велико (сотни кОм) при малом выходном. Так что её удобно применять в разнообразных измерителях, когда надо обрабатывать напряжения с очень маломощных датчиков.

2.Неинвертирующий усилитель. В этой схеме обратная связь осуществляется через делитель напряжения R1 - R2 подключённый между выходом ОУ и его инверсном входе. В этом случае на инверсный вход подается половина выходного напряжения. Однако операционному усилителю все равно нужно уравнять напряжения на своих входах, для чего ему приходится увеличить напряжение на своем выходе вдвое по сравнению с предыдущим значением, чтобы скомпенсировать делитель.

Таким образом данная схема усиливает напряжение, причём коэффициент усиления зависит только от соотношения резисторов R1 и

R2.

45

Выходное напряжение можно найти по формуле (17).

Рисунок 23. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Принцип работы схемы прост:

1)Как уже было сказано в начале, напряжение на выходе операционного усилителя (без обратной связи) стремится к напряжению питания в том случае, если напряжение на его положительном входе больше, чем на отрицательном.

2)Именно так и происходит при включении этой схемы – некое напряжение Uвх поступает на положительный вход ОУ. От этого напряжение на выходе ОУ начинает расти, но этот процесс ограничивается обратной связью.

46

3)Как только напряжение на выходе станет ровно в 2 раза больше напряжения на входе (2 раза – из-за того, что R1=R2, образуемый ими делитель напряжения уменьшает напряжение с выхода ОУ в два раза),

то напряжение после резисторов, подключенных к отрицательному входу, сравняется с напряжением на положительном входе и схема стабилизируется.

4)В результате получается усилитель напряжения, выходное напряжение которого равно входному, умноженному на коэффициент усиления,

определяемый соотношением двух резисторов. Очень удобно.

1. Инвертирующий усилитель. Работа схемы подобна работе неинвертирующего усилителя, разве что обратная связь в нём устроена по току, а не по напряжению, как это было в неинвертирующем усилителе и сигнал на его выходе инвертирован относительно сигнала на входе. Ниже приведена схема (рисунок 24) и формула для расчёта выходного напряжения.

Рисунок 24. Схема инвертирующего усилителя на ОУ

4. Сумматор. Сумматор представляет собой схему, складывающую два входных напряжения. Часто применяется для аналоговой обработки сигналов.

Схема сумматора на ОУ приведена на рисунке 25.

Рисунок 25. Схема сумматора на основе операционного усилителя

Выходное напряжение сумматора можно найти по следующей формуле:

Где U1 и U2 - входы сумматора, а К1 и К2 зависят от резисторов:

48

В том случае, если R1=R2=R5 (как на рисунке 25), то K1=K2=1 и формулу можно упростить:

В наше время аналоговый сумматор применяется в схемах, где необходимо складывать два или более аналоговых сигнала. Это может быть использовано в микшерах для звукового диапазона, где требуется объединить выходные сигналы от микрофонов, а также сигналы от устройств, создающих различные спецэффекты, которые затем могут быть добавлены к основному аудиосигналу. Одним из главных преимуществ микшеров на операционных усилителях является то, что входные сигналы не взаимодействуют между собой. Кроме того, такие схемы могут использоваться для арифметической обработки аналоговых сигналов, такой как сложение и вычитание.

5) Вычитатель. Неинвертирующий вход операционного усилителя возможно не только подключать к земле, но и подавать какое-либо другое напряжение. В таком случае операционный усилитель будет пытаться выровнять свой инвертирующий вход к этому уровню и получится схема,

реализующая вычитание.

49

Рисунок 26. Схема вычитателя на ОУ

При условии, что резисторы на входе (R1 и R3) равны друг другу и резисторы обратной связи и на землю (R2 и R4) также равны друг другу,

формула, описывающая выходное напряжение, становится такой:

Выполнение данной части курсового проекта сводится к анализу исходных данных, выданных по варианту, и расчёту требуемой схемы по представленным формулам. Учитывая, что для идеального ОУ номиналы резисторов не важны (но важны соотношения между их значениями),

рекомендовано выбирать резисторы порядка десятков кОм.

50