Масленников Основы шемотехники електронных цепей

Частота единичного усиления f1 – частота, при которой коэф-

фициент усиления становится равным 1.

В настоящее время чаще всего используют ОУ с внутренней цепью коррекции. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) таких усилителей приведена на рис. 3.4 (характеристика 1). Такая АЧХ позволяет использовать ОУ при любой глубине отрицательной обратной связи. При введении отрицательной обратной связи АЧХ усилителя изменяется: уменьшается коэффициент усиления, но увеличивается fвос – верхняя граничная часто-

та, определяемая по уровню уменьшения коэффициента усиления на 3 дБ (характеристика 2).

Рис. 3.4. АЧХ ОУ без отрицательной обратной связи (1) и с ней (2)

Минимальное сопротивление нагрузки Rн – такое сопротивле-

ние, при котором максимальное напряжение на выходе практически не уменьшается. На рис. 3.5 приведены амплитудные характеристики ОУ при Rн и конечном сопротивлении нагрузки. Из приведенной характеристики видно, что максимальное напряжение на выходе ( Rн ) близко к E1 или E2 и уменьшается при

уменьшении сопротивления нагрузки.

Кроме названных параметров ОУ характеризуется еще следующими параметрами: максимально допустимыми напряжениями, которые можно подать на его входы; скоростью нарастания выход-

52

ного напряжения, определяемой при подаче на вход импульса напряжения; шумовыми токами и напряжениями; температурными коэффициентами изменения напряжения смещения и входных токов и др.

Рис. 3.5. Амплитудные характеристики ОУ при разных сопротивлениях нагрузки и подаче входного напряжения на неинвертирующий вход

В таблице приведены основные параметры микросхем типовых операционных усилителей К140УД8, К140УД7 и К140УД1208, используемого в макете лабораторной работы.

В приведенных параметрах Rн – такое минимальное сопротив-

ление резистора нагрузки ОУ, которое приводит лишь к небольшому (порядка нескольких процентов) уменьшению модулей максимального и минимального напряжения на выходе ОУ.

53

Расчет усилителей на основе ОУ

Инвертирующий усилитель. Все усилители, выполненные на основе микросхем ОУ, охватываются отрицательной обратной связью, что обеспечивает работу ОУ в линейном режиме. Полагая при этом, что ОУ идеален, для упрощенных, но достаточно точных расчетов можно использовать принцип «мнимой земли». Рассмотрим для примера схему инвертирующего усилителя (рис.3.6).

Рис. 3.6. Схема усилителя – инвертора на ОУ

де при заземленном неинвертирующем входе позволяет считать, что инвертирующий вход ОУ как бы «заземлен». Но «заземление» это мнимое или виртуальное. Ток от входного генератора течет только по сопротивлениям обратной связи, не ответвляясь на вход ОУ. Действительно, если бы любая даже самая незначительная часть тока входного генератора пошла бы на вход ОУ, то поскольку К = ∞ и Rвх нарушилось бы условие Uвх 0 .

Исходя из сказанного, легко составить уравнение для расчета коэффициента усиления схемы:

Неинвертирующий усилитель. Используем свойства идеаль-

ного ОУ, работающего в линейном режиме, для расчета неинвертирующего усилителя (рис. 3.7). Из идеальности ОУ следует, что

54

напряжения на инвертирующем входе Uвх и неинвертирующем входе U г равны.

Рис. 3.7. Схема неинвертирующего усилителя

на ОУ

Отсюда, учитывая принцип «мнимой земли», получим

Инвертирующий сумматор. Схема инвертирующего сумматора на ОУ представлена на рис.3.8. Суть работы инвертирующего сумматора аналогична работе инвертирующего усилителя на ОУ. В данном случае ток ОС является суммой входных токов. Таким образом,

55

нейно изменяющегося напряжения.

Если на вход интегратора подается синусоидальное напряжение

т.е. фазовый сдвиг между напряжением на выходе и напряжением на входе составляют 90 .

Избирательный усилитель. Рассмотренные выше усилители, сумматор и интегратор имеют достаточно плавную амплитудночастотную характеристику, определяемую либо частотными свойствами ОУ, либо, в случае интегратора, зависимостью реактивного сопротивления емкости от частоты. Если цепь обратной связи сделать частотно-зависимой, то можно получить амплитудно-частот- ную характеристику, обеспечивающую преимущественное усиление сигналов в узкой полосе частот. Такие усилители называются

узкополосными или избирательными. Схема избирательного уси-

лителя с мостом Вина приведена на рис. 3.10. Расчет схемы произведен с учетом идеальности ОУ.

Рис. 3.10. Схема избирательного усилителя на ОУ с использованием моста Вина

57

Предположим, что коэффициент передачи цепи положительной обратной связи, осуществляемый RC-цепями с выхода ОУ на его неинвертирующий вход, равен ( j ) . В этом случае справедливы

следующие соотношения:

(Здесь учтено, что напряжения на инвертирующем и неинверти-

Коэффициент передачи ( j ) , определяемый как отношение напряжения на неинвертирующем входе к напряжению на выходе, нетрудно найти, учитывая, что реактивные сопротивления емко-

58

Рис. 3.11. Амплитудно-частотная характеристика избирательного усилителя

Это соответствует условию самовозбуждения усилителя. Самовозбуждение усилителя означает, что на выходе его, даже при отсутствии входного сигнала, появится синусоидальный (или близкий к синусоидальному) сигнал с частотой, равной частоте резонанса избирательного усилителя. Таким образом, если резистор R1

при выполнении условия R2 2R1 соединить с общей шиной (см.

рис.3.10), то возникнут синусоидальные колебания с резонансной частотой моста Вина.

59

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

Схема макета приведена на рис.3.12. Макет предназначен для построения и исследования рассмотренных устройств, которые могут быть получены при соответствующем включении перемычек. Для питания ОУ применяют два источника с напряжениями 0…+10 и 0…–10 В. В макете расположен встроенный формирователь импульсов, необходимый для исследования сумматора и интегратора. Управляющим сигналом формирователя служит синусоидальный сигнал Uг с амплитудой 2-3 В. Формирователь начинает работать

при подаче на клемму макета синусоидального сигнала, примерно равного 2…3 В. Форма сигнала на выходе Uг ¯ показана на рис.3.13.

Рис. 3.12. Лицевая панель лабораторного макета

60