Аналоговая электроника

В частном случае при R2 = 0 и при любом значении R1 (кроме нуля)

получаем повторитель напряжения с коэффициентом передачи К = 1.

Рис. 4. Схема инвертирующего усилителя (а) и неинвертирующего усилителя на дифференциальном ОУ

Схемы интеграторов тока и напряжения на ОУ приведены на рис. 5.

Для схемы интегратора тока (рис. 5а) можно записать уравнения iвх = - iс,

1

U i dt, откуда получаем значение выходного напряжения

с С c

Рис. 5. Схема интегратора тока (а) и интегратора напряжения (б) на дифференциальном ОУ

81

Аналогично, можно записать значение выходного напряжения для интегратора напряжения (рис. 5б), если учесть, что iвх=uвх / R:

Кроме линейных элементов в цепи обратной связи ОУ могут быть включены различные нелинейные элементы: диоды, стабилитроны, тран-

зисторы и др. Так, например, в схеме логарифматора тока (рис. 6) в цепи отрицательной обратной связи включен диод VD. Для этой схемы можно записать уравнения: iвх = - iД, uвых = uд. Учитывая связь между током и на-

пряжением на диоде iД IseuД / T , получим значение выходного напряже-

ния:

uвых= - φT In(iвх / Is).

Рис. 6. Схема логарифматора тока на дифференциальном ОУ

4.3. Лабораторная работа № 9

Инвертирующий усилитель на ОУ

Цель работы: изучение свойств инвертирующих операционных усили-

телей, исследование влияния сопротивлений в цепи обратной связи и нагруз-

ки на их характеристики.

82

Общие сведения

Инвертирующий усилитель представляет собой устройство, которое преобразует входное напряжение в выходное напряжение противополож-

ной полярности. В случае синусоидального напряжения образуется фазо -

временной сдвиг 180° между входным и выходным сигналами. Инверти-

рующий усилитель может быть использован для усиления или ослабления входного сигнала. Его принципиальная схема показана на рис. 7.

Рис. 7 Схема инвертирующего усилителя

Коэффициент усиления этого усилителя К определяется по формуле:

К = - Uвых / Uвх = –Roc / Rвх.

Для упрощения расчетов делаются следующие допущения:

–в диапазоне модуляции разность потенциалов между двумя входа-

ми равна 0;

–входной ток усилителя равен 0:

–для случая, когда Roc =Rвх коэффициент усиления К = -1, то есть ам-

плитуды входного и выходного сигналов равны.

Выполнение лабораторной работы

Подготовка к работе.

1.Изучить соответствующую теоретическую часть данного раз-

дела.

2. Рассчитать коэффициент усиления усилителя для Roc = 10 кОм, 22 кОм, 47 кОм.

83

3.Построить предполагаемые зависимости выходного напряже-

ния ОУ от входного для разных сопротивлений в цепи обратной связи.

4.Построить предполагаемую зависимость выходного напряже-

ния ОУ от сопротивления нагрузки.

Практическое выполнение работы.

1. Соберите инвертирующий усилитель как показано на рис. 8. С по-

мощью мультиметра измерьте величины выходного напряжения Uвых при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи Roc и входных напряжениях Uвх согласно табл. 1.

2. Занесите результаты измерений в табл.1. На графике постройте за-

висимости выходного напряжения Uвых от входного Uвх при различных со-

противлениях отрицательной обратной связи Roc.

Рис. 8. Схема для исследования характеристик инвертирующего усилителя

3. Для изучения влияния сопротивления нагрузки установите вход-

ное напряжение Uвх= -5 В, а Roc =Rвх=10 кОм. Подключите к выходу усили-

теля поочередно различные сопротивления нагрузки согласно табл. 2 и из-

мерьте мультиметром результирующие выходные напряжения Uвых.

84

Таблица 1

Uвых

при Roc = 10 кОм

Uвых

при Roc = 22 кОм

Uвых

при Roc = 47 кОм

4. Занесите измеренные величины в табл. 2, затем постройте на графи-

ке зависимость выходного напряжения Uвых от сопротивления нагрузки Rн.

Таблица 2

Uвых, В

5. Результаты исследований отразить в выводах.

Контрольные вопросы и задания

1.Изобразить схему включения ОУ в инвертирующем усилителе.

2.Какова полярность входного напряжения Uвх инвертирующего уси-

лителя по сравнению с выходным напряжением Uвых?

3. Какие компоненты схемы определяют коэффициент усиления по на-

пряжению инвертирующего усилителя? Записать формулу для определения коэффициента усиления.

4.Какова величина коэффициента усиления при Roc = 100 кОм и Rвх =

10 кОм?

5.Какие утверждения можно сделать относительно влияния сопротив-

лений в цепи обратной связи и нагрузки на характеристики усилителя?

85

4.4. Лабораторная работа № 10

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Цель работы: изучение усилительных свойств неинвертирующих уси-

лителей на ОУ, исследование влияния сопротивления в цепи обратной связи ОУ на коэффициент усиления.

Общие сведения

В операционном усилителе без инвертирования входное и выходное напряжения имеют одинаковую полярность, то есть фазовый сдвиг по на-

пряжению равен 0°.

Как показано на принципиальной схеме рис. 9, входное напряжение подается на неинвертирующий вход. В диапазоне модуляции разность по-

тенциалов между двумя входами равна 0. Коэффициент усиления К вы-

числяется по формуле:

К = Uвых / Uвх = 1+ Roc / Rвх.

Рис. 9. Схема неинвертирующего усилителя

Выполнение лабораторной работы

Подготовка к работе.

86

1.Изучить соответствующую теоретическую часть данного раз-

дела.

2.Рассчитать коэффициент усиления усилителя для Roc = 10 кОм, 22 кОм, 47 кОм.

3.Построить предполагаемые зависимости выходного напряже-

ния усилителя от входного для разных сопротивлений в цепи обратной связи ОУ.

Практическое выполнение работы.

1.Соберите неинвертирующий усилитель по схеме рис. 10. Используя мультиметр, измерьте выходное напряжение Uвых при различных зна-

чениях сопротивления отрицательной обратной связи Roc и входного напряжения Uвх согласно табл. 3.

Рис. 10. Схема для исследования характеристик неинвертирующего усилителя

2.Занесите результаты измерений в табл. 3. На графике постройте за-

висимости выходного напряжения Uвых от входного напряжения Uвх

при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи Roc.

87

Таблица 3

Uвых

при Roc = 10 кОм

Uвых

при Roc = 22 кОм

Uвых

при Roc = 47 кОм

Контрольные вопросы и задания

1.Изобразить схему включения ОУ в неинвертирующем усилителе.

2.Какова полярность входного напряжения Uвх неинвертирующего усилителя по сравнению с выходным напряжением Uвых?

3.Какие компоненты схемы определяют коэффициент усиления по на-

пряжению неинвертирующего усилителя? Записать формулу для определе-

ния коэффициента усиления.

4.Какова величина выходного напряжения Uвых при Roc = 47 кОм, Rвх

=10 кОм и Uвх = 1 В?

5.Какие утверждения можно сделать относительно влияния сопротив-

ления в цепи обратной связи на характеристики усилителя?

4.5. Лабораторная работа № 11

Операционный суммирующий усилитель

Цель работы: изучение свойств сумматоров на основе ОУ, выпол-

няющих арифметическое суммирование (напряжений).

88

Общие сведения

Суммирующий усилитель складывает любое число напряжений в аналоговой форме с учетом их знаков.

В принципе, суммирующие усилители можно строить на резисторах.

Один из недостатков такого подхода состоит в том, что входные резисторы гальванически не развязаны друг с другом.

Принципиальная схема сумматора на ОУ приведена на рис. 11. Сле-

дует иметь ввиду, что в данной схеме ОУ включен в инвертирующем ре-

жиме, поэтому и напряжение на его выходе будет с противоположным зна-

ком.

Рис. 11. Принципиальная схема сумматора на ОУ

Если входное напряжение подано только на первый вход, мы имеем инвертор с коэффициентом передачи:

К = – Roc / Rвх1 = Uвых / Uвх,

тогда

Важно отметить, что наличие других входов не влияет на коэффици-

ент усиления по любому входу, т.к. точка 0 имеет потенциал земли (раз-

ность потенциалов между входами операционного усилителя всегда равно нулю). Например, если на все входы поданы напряжения, то в каждом

89

входном резисторе возникает ток In = Uвхn / R, а через резистор обратной связи протекает сумма токов, т.к. входной ток операционного усилителя всегда остается равным нулю:

В результате выходное напряжение усилителя:

При Roc = R:

Uвых = -(Uвх1+Uвх2+...+Uвхn).

Выполнение лабораторной работы

Подготовка к работе.

1.Изучить соответствующую теоретическую часть данного раз-

дела.

2.Рассчитать напряжение на выходе суммирующего усилителя

Uвых (рис. 11) для приведенных ниже случаев, если для него Roc = R:

а) Uвх1 = –1 В, Uвх2 = 2 В, Uвх3 = 3 В;

б) Uвх1 = –1 В, Uвх2 = 2 В, Uвх3 = –3 В;

в) Uвх1 = 1 В, Uвх2 = 2 В, Uвх3 = –3 В.

Практическое выполнение работы.

1. Соберите цепь, приведенную на рис. 12, установите входное на-

пряжение Uвх2 = 2 В. При этом Rвх1 = Rвх2 = RОС =1 кОм.

2. Изменяйте входное напряжение Uвх1 согласно табл. 4, измеряя со-

ответствующие значения выходного напряжения Uвых мультиметром. Ре-

зультаты измерений занести в табл. 4.

3. Повторите измерения для входного напряжения Uвх2 = - 2 В.

90