Неинвертирующий усилитель

На рис.2.3 представлена вторая базовая схема на ОУ – неинвертирующий усилитель.

По правилу 2 ток I_о должен течь через резисторы R_о и R_вх на землю, не ответвляясь в ОУ, поэтому можно записать

I₀ = V_вых / (R_вх + R_о).

С огласно правилу 1 на инвертирующем входе также действует входное напряжение V_вх ,_, поэтому I₀ R_вх = V_вх. Теперь можно записать, что [V_вых / (R_вх + R_о)] R_вх = V_вх, откуда получим

V_вых = V_вх (1+R_о/ R_вх) . (2.3)

Таким образом, рассмотренная схема входной сигнал не инвертирует, её коэффициент усиления K_v = (1+R_о / R_вх) положителен и всегда больше или равен 1. Можно показать, что входное сопротивление схемы очень велико (близко к бесконечности).

Усилитель с единичным коэффициентом усиления (повторитель напряжения)

Е сли в неинвертирующем усилителе положить R_вх равным бесконечности, а R_о равным нулю, то мы придём к схеме, изображённой на рис.2.4. Согласно правилу 1 напряжение на инвертирующем входе ОУ должно равняться входному напряжению V_вх. С другой стороны, неинвертирующий вход соединен с выходом схемы. Следовательно, Vвых = V_вх, т.е. выходное напряжение повторяет входное напряжение.

Такая схема повторителя напряжения используется в качестве усилителя с большим значением входного сопротивления, обеспечивая развязку предыдущего каскада от нагрузочного влияния следующих за ним каскадов.

Сумматор (суммирующий усилитель)

И нвертирующий усилитель может суммировать несколько входных напряжений. Каждое входное напряжение соединяется с инвертирующим входом ОУ через отдельный резистор. В этом случае инвертирующий вход принято называть суммирующей точкой, поскольку здесь суммируются все входные токи и ток обратной связи.

Принципиальная схема сумматора представлена на рис.2.5. Из равенства нулю напряжения на инвертирующем входе ОУ и нулевого значения входного тока следует

I_о = ( I₁ + I₂ + … + I_n) и I₁= V₁ / R₁, I₂ = V₂ / R₂ , … , I_n = V_n / R_n .

Так как на инвертирующем входе действует нулевое напряжение, то

I₀ = -V_вых / R_о. После соответствующих подстановок получаем

V_вых = – R_о(V₁ / R₁ + V₂ / R₂ + … + V_n / R_n) = – (К₁V₁ + … + К_nV_n), (2.4)

где К_i = R₀ / R_i– коэффициент передачи сумматора по i – тому входу.

Как видно из (2.4), резистор R_о влияет на все коэффициенты передачи в схеме, а резисторы R₁, R₂,…, R_n определяют индивидуальные значения весовых коэффициентов для соответствующих каналов ввода суммируемых напряжений. Кстати, входное сопротивление сумматора по i – тому входу практически совпадает с соответствующим R_i.

При работе с реальными ОУ необходимо обеспечить равенство проводимости цепей, подключённых к различным входам усилителя. Из этого условия к неинвертирующему входу ОУ должен подключаться резистор соответствующего номинала, соединённый вторым своим выводом с землёй.

Методика выполнения

При выполнении работы будет использоваться ОУ, параметры которого соответствуют модели ideal из библиотеки default. Другими словами, пользователю не следует беспокоиться о задании каких-либо параметров усилителей. Номинальный коэффициент усиления ОУ К_v= 1е+06, внутреннее сопротивление R_вх = 1е+10, выходное сопротивление R_вых =1 Ом. Измерение постоянных напряжений и токов в процессе работы обеспечивается вольтметрами и амперметрами из контейнера Indicators. Категорически запрещается переустанавливать величины внутренних сопротивлений этих приборов.

1. Запустите необходимое программное обеспечение.

2. Соберите на монтажном столе схему, приведённую на рис. 2.2. Подключите на вход схемы источник постоянного напряжения и подсоедините к выходу и входу схемы вольтметры. Выбирая номиналы резисторов R_вх и R_о из диапазона 2..10 кОм, установите коэффициент передачи в схеме равным 2.

3. Изменяя входное напряжение через 3 В в диапазоне от – 12 до + 12 В, запишите в табл. 2.1 показания выходного прибора и постройте выходную характеристику V_вых = f(V_вх) инвертирующего усилителя. Для получения на входе схемы напряжений обратного знака следует поменять полярность подключения источника входного напряжения.

Таблица 2.1

Vвх, В	– 12	– 9	…	–3	0	3	…	9	12
Vвых, В

4. Вместо источника постоянного напряжения на вход схемы подключите генератор синусоидальных колебаний. Отключите оба вольтметра. Выход ОУ подключите к мультиметру. На частоте 50 Гц установите амплитуду входного сигнала с генератора на ОУ в 2 В и снимите зависимость амплитуды выходного сигнала инвертирующего усилителя от частоты генератора в диапазоне до 999 МГц. Шаг изменения частоты – переменный, обеспечивает большую точность построения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в месте перегиба. Построив АЧХ усилителя по данным табл.2.2, определите ширину полосы пропус-

Таблица 2.2

f, кГц	0.05	. . .	. . .	. . .	999 000
Vвых, B

кания, для которой коэффициент усиления K_v больше или равен K _{v max}. Частоту по оси абсцисс откладывайте в логарифмическом масштабе.

5. Соберите на монтажном столе схему, приведённую на рис. 2.3. Подключите на вход схемы источник постоянного напряжения и присоедините к входу и выходу схемы вольтметры.

6. Установите величины резисторов R_вх = 10 кОм и R_о = 10 кОм . Изменяя входное напряжение ОУ через 3 В в диапазоне от – 12 до + 12 В, запишите в табл. 2.3 показания выходного прибора, рассчитайте величины коэффициентов усиления К_v ОУ, сравнив их со значением по (2.3), и постройте выходную характеристику неинвертирующего усилителя. Найдите её отличие от характеристики инвертирующего усилителя.

Таблица 2.3

Vвх, B	-12	-9	. . .	-3	0	3	. . .	9	12
Vвых, B
К v

7. Повторите действия, указанные в п.4, для этой схемы и сравните амплитудно-частотные характеристики двух схем включения ОУ.

8. Соберите на монтажном столе схему, приведённую на рис. 2.4. Подключите на вход схемы источник постоянного напряжения и присоедините к входу и выходу схемы вольтметры. Изменяя напряжение на входе через 3 В в диапазоне от – 12 В до + 12 В, запишите показания входных и выходных приборов в таблицу, аналогичную табл. 2.3. Подсчитайте величины коэффициентов усиления по данным таблицы и сравните с теоретическим его значением. Постройте выходную характеристику.

9. Соберите на монтажном столе схему, приведённую на рис. 2.5, для трёх входных сигналов от трех источников постоянного напряжения. Установите величину резистора в цепи обратной связи R_о = 10 кОм. Подключите вольтметры ко всем точкам на входах и на выходе сумматора. В соответствии с (2.4) рассчитайте номиналы резисторов R₁, R₂, R₃ для задания по трём входам следующих коэффициентов передачи: К₁ = 0,75; К₂ = 0,5; К₃ = 0,25. Проверьте работу сумма-

Таблица 2.4

V1, B	4	5	3	2
V2, B	3	7	8	8
V3, B	6	1	4	5
Vвых. р, B
Vвых. э,B
∆Vвых = |V вых. р –Vвых. э|

тора при реализации зависимости

V_вых = K₁ V₁ + K₂ V₂ + K₃ V₃ (2.5)

для заданной комбинации входных сигналов (табл. 2.4). Сравните измеренные значения выходного сигнала V _{вых. э} и рассчитанные по (2.5) величины V _{вых. .р} . Оцените в процентах погрешность реализации данной зависимости.

10. В схеме по п. 9 рассчитайте значения резисторов R₁, R₂, R₃ для задания по трём входам коэффициентов передачи К₁=1,5; К₂=0,5; К₃=1. Установите эти номиналы в схеме. Проверьте работу сумматора при реализации зависимости

V_вых = 1,5 V₁ – 0,5 V₂ + 1,0 V₃ (2.6)

при тех же комбинациях входных сигналов, что и в табл.2.4. Сравните измеренные значения выходного напряжения V _{вых. э} и рассчитанные по (2.6) величины V _{вых. р}. Все измеренные и рассчитанные величины занесите в таблицу, аналогичную по построению табл. 2.4. Оцените в процентах погрешность реализации зависимости (2.6).

Знак минус во втором слагаемом уравнения (2.6) реализуется обратным включением источника входного напряжения V₂.