Неинвертирующий усилитель

На рис. 2 изображена функциональная схема неинвертирующего усилителя. При конечном значении низкочастотного коэффициента усиления ОУ и любом напряжении на выходе ОУ разностью потенциалов инвертирующего и неинвертирующего входов, строго говоря, НЕЛЬЗЯ пренебрегать.

Рис. 2. Неинвертирующий

усилитель.

При этом условии имеем следующие два (по количеству узлов с изменяющимися и одновременно неизвестными потенциалами) линейных уравнений Кирхгофа для схемы на рис. 2 (потенциал неинвертирующего входа принимается равным аналоговому нулю, то есть половине напряжения питания):

(1.10а)

(1.10b)

Решая систему линейных уравнений (1.16), получаем:

(1.11а)

Если , то (1.11b)

Последнее выражение является хорошо известным из большинства учебников по аналоговой схемотехнике.

Инвертирующий усилитель

Аналогично предыдущему примеру, составляем систему линейных уравнений для схемы инвертирующего усилителя на рис. 3. Пусть для краткости записи выражений :

Рис. 3. Инвертирующий

усилитель

Уравнения Кирхгофа:

(1.12а)

(1.12b)

Выражение для передаточной функции имеет вид:

(1.13)

При условии имеем знакомый из учебников вид передаточной функции:

(1.14)

Если , то , т.е. схема инвертирует знак входной переменной и является инвертором сигнала.

Активный инвертирующий интегратор

Рис. 4. Активный

инвертирующий

интегратор.

Аналогично предыдущему примеру и, согласно схеме активного инвертирующего интегратора на рис. 4, составляем систему линейных уравнений Кирхгофа (операционный усилитель имеет ограниченный коэффициент усиления ):

(1.15а)

(1.15b)

Решая систему (1.21), получаем передаточную функцию:

(1.16)

При условии выстраивается следующая последовательность упрощений:

(1.17)

Оригинал (во временнòй области) последнего выражения имеет вид:

(1.18)

Активный rc-фильтр нижних частот 2-ого порядка.

Рис. 5 Активный инвертирующий фильтр НЧ 2-ого порядка.

Согласно приведенной схеме активного фильтра нижних частот второго порядка составляем систему линейных уравнений Кирхгофа, для двух узлов:

Решая систему, получаем передаточную функцию фильтра для конечного коэффициента усиления :

При условии имеем:

Рис. 6 Активный неинвертирующий фильтр НЧ 2-ого порядка.

Согласно приведенной схеме активного фильтра нижних частот второго порядка составляем систему линейных уравнений Кирхгофа, для трех узлов:

Решая систему, получаем передаточную функцию для конечного коэффициента усиления:

где .

При условии имеем:

.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ:

1. Запустить Start ® All Programs ® Cadence PSD 14.0 ® Schematics.

2. Ввести схему пассивного RC фильтра первого порядка. Для ввода схемы необходимо расположить схемотехнические элементы, а затем соединить их проводниками, согласно электрической схеме. Рис. 7 Электрическая схема пассивного RC-фильтра 1-ого порядка. Выбор элементов из библиотеки производится следующим образом: "Menu ® Draw ® Get New Part" (CTRL+G), вызов диалогового окна выбора новых элементов из библиотеки. Далее кнопка "Libraries…", в появившемся окне в списке библиотек (Libraries) выбирается нужная библиотека, затем в списке элементов (Part) выбирается требуемый элемент. Далее кнопка "ОК" и возврат к предыдущему окну. Элементы R и C находятся в библиотеке analog.slb, аналоговая земля EGND в библиотеке port.slb. Далее необходимо нажать кнопку "Place" или "Place & Close", после чего можно поместить выбранный элемент в поле редактирования, только в первом случае окно выбора элементов не будет закрыто. Номиналы элементов: R₁= 100 кОм, C₁= 1 пФ. Рисовать проводник – "Menu ® Draw ® Wire " (CTRL+W) Поворот выделенной части схемы – "Menu ® Edit ® Rotate" (CTRL+R) Редактирование свойств и параметров объекта – двойной клик левой кнопкой мыши. Для задания имени проводника – два раза кликнуть мышкой на проводнике и в появившемся окне ввести имя проводника. Задать имена для проводников IN и OUT.

3. Для сохранения схемы, создайте рабочее пространство. В окне PSpice Design Manager выберите Menu ® File ® New Workspace… В поле Location ввести D:\<номер студ.билета>, в поле Name – Lab1, В окне PSpice Schematics File ® Save As… сохранить схему в папке D:\<номер студ.билета>\Lab1. Имя схемы и путь к ней не должны содержать пробелов и русских букв.

4. Для того чтобы настроить программу моделирования PSpice, вызываем команду: Menu ® Analysis ® Setup… Задание частотного анализа схемы (AC SWEEP). Параметры моделирования для AC SWEEP: AC Sweep Type ® Decade (логарифмическая частотная шкала) Sweep Parameters ® Pts/Decade=1000, Start Freq.:10, End Freq.:1.00G (количество отсчетов на декаду, начальная и конечная частота) Для того чтобы провести частотный анализ необходимо в качестве входного источника напряжения поставить VAC (библиотека source.slb), с параметром ACMAG=1. Далее Menu ® Analysis ® Simulate (F11) – для запуска моделирования. После окончания работы программы моделирования можно посмотреть амплитудно- и фазово-частотную характеристику схемы. Для вывода АЧХ в меню программы вывода результатов выбираем пункт Trace ® Add Trace (Insert), далее необходимо убрать все галочки кроме Analog и Voltages, выбрать в правой части окна DB( ), затем в левой части – V(OUT). ФЧХ вывести на отдельном графике, воспользовавшись командой Menu ® Plot ® Add Plot to Window. Для вывода ФЧХ в правой части окна выбирать P( ), в левой – V(OUT). Зарисовать АЧХ и ФЧХ схемы. Определить граничную частоту фильтра. Чтобы найти граничную частоту, необходимо включить курсор кнопкой «Toggle Cursor» (), далее перемещая его мышкой вдоль кривой АЧХ и наблюдая за значениями в появившемся окошке, найти значение амплитуды выходного сигнала равное -3дБ. Значение частоты в этой точке будет равно граничной частоте фильтра

5. Провести временнόй анализ неинвертирующего или инвертирующего усилителя (согласно варианту). Рис. 8 Электрическая схема неинвертирующего усилителя (номиналы сопротивлений рассчитываются согласно варианту). Рис. 9 Электрическая схема инвертирующего усилителя (номиналы сопротивлений рассчитываются согласно варианту). Параметры элемента OPAMP из библиотеки analog.slb: VPOS=3V, VNEG=0V, GAIN=1e6. Проверьте правильно ли собрана схема относительно инвертирующего и неинвертирующего входов элемента OPAMP; если требуется, отразите ("Menu ® Edit ® Flip" (CTRL+F)) и поверните ("Menu ® Edit ® Rotate" (CTRL+R)) элемент. Напряжение аналоговой земли задано с помощью элемента VDC из библиотеки source.slb с параметром DC=1.5V. Параметры входного источника синусоидального напряжения VSIN из библиотеки source.slb: VOFF=1.5V, VAMPL=0.1V, FREQ=1e6. Параметры для временного анализа (Transient): Print Step: 0ns (временной шаг при выводе на экран результатов) Final Time: 2us (конечное время моделирования) Step Ceiling: 0.001us (временной шаг моделирования Отобразить напряжения V(IN) и V(OUT). Зарисовать получившиеся графики.

6. Провести частотный анализ активного инвертирующего интегратора. Рис. 10 Электрическая схема активного инвертирующего интегратора. Параметры источника VAC: ACMAG=1. Параметры элемента OPAMP из библиотеки analog.slb: VPOS=3V, VNEG=0V, GAIN=1e2. Значения элементов: R₁= 1 кОм, C₁= 1 пФ. Параметры моделирования для AC SWEEP: AC Sweep Type ® Decade (логарифмическая частотная шкала) Sweep Parameters ® Pts/Decade=1000, Start Freq.:10, End Freq.:1.00G Вывести и зарисовать АЧХ и ФЧХ интегратора.

7. Провести частотный анализ ARC-фильтра 2-ого порядка. Рис. 11 Электрическая схема активного инвертирующего ARC-фильтра НЧ 2-ого порядка (номиналы емкостей и сопротивлений рассчитываются согласно варианту). Рис. 12 Электрическая схема активного неинвертирующего ARC-фильтра НЧ 2-ого порядка (номиналы емкостей и сопротивлений рассчитываются согласно варианту). Параметры элемента OPAMP из библиотеки analog.slb: VPOS=3V, VNEG=0V, GAIN=1e6. Параметры источника VAC: ACMAG=1. Параметры моделирования для AC SWEEP: AC Sweep Type ® Decade (логарифмическая частотная шкала) Sweep Parameters ® Pts/Decade=1000, Start Freq.:10, End Freq.:1.00G Вывести АЧХ и ФЧХ фильтра, определить граничную частоту фильтра. Зарисовать АЧХ и ФЧХ активного фильтра.

Данные для расчета номиналов элементов в схемах усилителей.

№ варианта	Анализируемая схема	Коэффициент усиления схемы
1, 12	Неинвертирующий усилитель	3 дБ
2, 11		6 дБ
3, 10		-3 дБ
4, 9	Инвертирующий усилитель	3 дБ
5, 8		6 дБ
6, 7		-3 дБ

Коэффициент усиления схемы определяется соотношениями 1.11b и 1.14.

Данные для расчета ARC-фильтров НЧ 2-ого порядка.

№ варианта	Схема	Тип фильтра				(частота среза), МГц	Максимальное ослабление в полосе пропускания, дБ	Минимальное ослабление в полосе задерживания, дБ	Коэффициент неравномерности АЧХ в полосе пропускания, дБ	Групповое время задержки, нс
1	рис. 5	Баттерворта	1,4142	1	0,71	10	0,5	65	–	–
2	рис. 6					100	2	30
3	рис. 5	Чебышева	1,3614	1,3827	0,86	20	1	55	0,5	–
4	рис. 6					50	3	35
5	рис. 5		1,3022	1,5515	0,96	62,8	0,5	60	1	–
6	рис. 6					40	2	40
7	рис. 5		1,1813	1,7775	1,13	30	1	50	2	–
8	рис. 6					80	3	30
9	рис. 5		1,0650	1,9305	1,30	2,18	0,5	60	3	–
10	рис. 6					150	2	45
11	рис. 5	Бесселя	1,3617	0,6180	0,58	125	1	50	–	5
12	рис. 6					90	3	30