2. Схемная реализация усилителя на базе неинвертирующего ру

Рис. 2.1

Схема усилителя аналогична схеме усилителя на базе неинвертирующего РУ, представленной на рис. 2.1, конденсатор С2 используется для минимизации входного напряжения покоя усилителя (сдвиг постоянного напряжения от нуля).

Частотная характеристика усилителя аналогична характеристике (2), представленной на рис. 1.3.

Рис.2.2

Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя переменного тока в полосе пропускания определяются схемными функциями неинвертирующего РУ (сопротивлениями конденсаторов С1 и С2 в полосе пропускания в первом приближении можно пренебречь). В полосе пропускания, где С₁ и С₂ – к.з. имеем частный случай неинвертирующего решающего усилителя.

; (2.1)

Для схемы рис.2.1. справедливы соотношения:

1. (2.2)

2. (2.3)

(2.4)

Верхняя частота f_в зависит от:

1. инерционных свойств ОУ, т.е.от его частотной характеристики (1) на рис.1.3. (за которую «не перепрыгнуть»).

2. коэффициента усиления K_U усилителя переменного тока.

Чем выше K_U, тем ниже f_в для одного и того же ОУ.

Окончательно частота f_в определяется на NIELVIS и моделированием ОС Multisim.

Таким образом, при использовании одного неинвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления (100…1000) и больше (1…10МОм) входное сопротивление усилителя, но при этом существуют определенные трудности в реализации высокой верхней граничной частоты f_в.

Ручной расчет схемы рис.2.1 – подготовка к моделированию в системе Multisim:

Рекомендации: желательно, чтобы все вычисленные сопротивления были не более 10 МОм, а выбираемая емкость - не более 3 мкФ.

Выберем емкость: С1=С2=1 мкФ

Из соотношения (2.4):

Из соотношения (2.2):

Из соотношения (2.3):

Определив все сопротивления резисторов, убедились что все .

Убедимся теперь, что конденсатор С1 становится «проходным» на более низких частотах, чем конденсатор С2, и тем самым практически не влияет на нижнюю граничную частоту

3. Построение усилителя на основе двух усилительных подсхем

Рис. 3.1

Частотная характеристика представлена на рис. 1.3.

От недостатков усилителя, изображенного на рис. 2.1, свободна схема усилителя переменного тока, представленная на рис. 3.1. Этот усилитель состоит из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на неинвертирующем РУ (DA1, R1, R2, R3), что позволяет обеспечить большое входное сопротивление усилителя переменного тока; выходная подсхема представляет собой инвертирующий РУ (DA2, R4, R5) и используется для получения высокого коэффициента усиления K_u всего усилителя. Коэффициент усиления всего усилителя по переменному току:

(3.1)

Из графиков, приведенных на рис. 1.3 следует, что для получения наибольшей верхней граничной частоты f_B усилителя (рис. 3.1) целесообразно выбирать коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего РУ по модулю примерно одинаковыми.

Нижняя граничная частота (3.2)

Ручной расчет схемы рис 3.1 – подготовка к моделированию в системе Multisim.

Рекомендации: желательно, чтобы все вычисленные сопротивления были не больше 10 МОм, а выбираемая емкость не более 3 мкФ.

Выберем емкость С1 = С2 = 1 мкФ.

Из соотношения (3.2)

Для получения наибольшей частоты fв коэффициенты должны быть примерно одинаковыми, тогда:

Для инвертирующего РУ

Для неинвертирующего РУ

2. Моделирование усилителей переменного тока в системеMultisim

   1. Усилитель с одной усилительной подсхемой

Значения , ,,ирассчитаны ранее в разделе 1.2. Схема усилителя в программеMultisim представлена на рис. 4.1.

Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускания , нижнюю и верхнюю границу полосы пропусканияи. Сравним результаты с данными из технического задания.

Рис. 4.1

Рис. 4.2

Рис. 4.3

Рис. 4.4

На рис. 4.2-4.4 видно, что и удовлетворяют условиям технического задания, ноне подходит. Следовательно, эта схема усилителя на базе одного неинвертирующего РУ не подходит.

2. Усилитель с одной усилительной подсхемой

Значения , ,,,,ирассчитаны ранее в разделе 1.3. Схема усилителя в программеMultisim представлена на рис. 5.1.

Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускания , нижнюю и верхнюю границу полосы пропусканияи. Сравним результаты с данными из технического задания.

Рис. 5.1

Рис. 5.2

Рис. 5.3

Рис. 5.4

На рис. 5.2-5.4 видно, что и ,. Все параметры лежат в пределах допустимой погрешности. Эта схема усилителя переменного тока на базе двух усилительных подсхем подходит.

3. Экспериментальное исследование усилителя переменного тока с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборовNIELVIS

   1. Усилитель на одном неинвертирующем РУ

Измерим частотные характеристики коэффициента усиления усилителя переменного тока на базе неинвертирующего РУ (рис. 2.1). Определим и убедимся, что она мала.

Рис. 6.1

Как видно из рис. 6.1 верхняя частота действительно мала (около 1 кГц при необходимых 20 кГц по заданию). Это обусловлено тем, что при использовании одного неинвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление усилителя, но при этом возникают трудности в реализации высокой верхней граничной частоты .

Как следует из частотной характеристики усилителя (характеристика (2) на рис. 1.3) – чем выше коэффициент усиления усилителя переменного тока, тем меньше у него верхняя граничная частота . Это еще раз подтверждает то, что эта схема не подходит.