Аналоговые устройства на операционных усилителях

Сопротивление резистора R3 можно выбрать произвольно, например 10 кОм, напряжения питания – согласно паспортным данным для ОУ; типичное значение ± 15 В.

3. Исследование инвертирующего включения ОУ

Отметим, что при использовании инвертирующего включения ОУ можно построить так называемые инвертирующие сумматоры (рис. 8). Подобные устройства находят применение при аналоговой обработ

ке и преобразовании сигналов в качестве микшеров.

При идеализации используемого ОУ можно утверждать, что сумма токов, протекающих через резисторы R1 и R2, равна току, протекающему через резистор R3:

I1 + I2 = I3.

В свою очередь, поскольку инвертирующий вход ОУ имеет нулевой потенциал, выходное напряжение можно представить как:

. (24)

Это означает, что отсутствует взаимное влияние источников сигнала друг на друга и на результат суммирования.

Исследование инвертирующего включения ОУ можно начать со схемы рисунка 2а, затем рисунка 8 и рисунка В качестве ОУ так же, как и в предыдущем случае, можно использовать К140УД7 (mА741).

1. Введите в компьютер схему инвертирующего усилителя (рис. 2а), предварительно рассчитав номиналы резисторов для KU = 10, воспользовавшись выражениями (9) и (16а).

Цель выполнения моделирования – исследование передаточной функции на постоянном токе и определение статической ошибки (UСМ), получение АЧХ усилителя с ООС и без обратной связи, а также определение скорости нарастания выходного напряжения.

Примечание. Для ускорения процесса моделирования рекомендуется использовать источник входного сигнала VPULCE.

При таком способе задания источника стимулирующего сигнала можно одновременно создать директивы управления заданием «DC Sweep», «AC Sweep», «Transient» и «Transfer Function». В этом случае весь процесс моделирования сокращается по времени, так как происходит по одной команде запуска расчёта.

1.1. В режиме «DC Sweep» задайте изменение входного напряжения в пределах от -1,5 В до +1,5 В. С помощью электронного курсора определите: напряжение смещения на выходе усилителя при UВХ = 0, максимальное выходное напряжение (напряжение, при котором наступает ограничение).

Измените сопротивление R3 (уменьшив его до 0,1 Ом и увеличив до 1 мОм) и вновь проведите моделирование. Оцените влияние сопротивления R3 на напряжение смещения и симметричность передаточной характеристики. Сделайте выводы.

Результат анализа по директиве «Transfer Function» (входное и выходное сопротивления) будет находиться в выходном файле Examine Output. Сравните значения входного и выходного сопротивлений для различных схем включения ОУ, сделайте выводы.

1.2. В режиме «AC Sweep» постройте логарифмическую АЧХ усилителя, охваченного ООС KU =F(f), и усилителя без обратной связи K0 =F(f). Указание: для построения характеристики в командной строке меню «Add Trace» достаточно записать:

DB<узел выхода> – DB<узел инвертирующего входа >

(Справедливость такой формы записи читателю предлагается доказать самостоятельно в качестве упражнения. Напомним, что запись db<узел> соответствует записи 20lg (V<узел>), а напряжение генератора входного сигнала – в режиме «AC Sweep» равно 1 В.)

Сравните результаты анализа для инвертирующего и неинвертирующего включения ОУ. Сделайте выводы.

1.3. По результатам моделирования в режиме «Transient» определите скорость нарастания выходного напряжения. Сравните этот параметр для двух вариантов включения ОУ – инвертирующего и неинвертирующего. Сделайте выводы.

2. Исследуйте схему сумматора на ОУ (рис. 8). Задайтесь коэффициентом усиления по каждому входу 10 и определите номиналы резисторов, учитывая следующее. Минимальное напряжение смещения на выходе будет при соблюдении следующего условия:

,

где RГ i – внутренние сопротивления источников сигнала (в нашем случае можно принять равным нулю).

Работу сумматора можно исследовать в двух режимах

2.1. В режиме «DC Sweep» целесообразно задать вариацию одного источника входного сигнала, а вариацию другого – по директиве «Parametric».

В этом случае для каждого значения напряжения источника UC2 будет строиться передаточная характеристика для вариации напряжения источника UC1, причём на график можно вывести семейство передаточных характеристик.

По результатам моделирования сделайте вывод о возможном диапазоне изменения входных сигналов при осуществлении суммирования двух и более сигналов.

2.2. Подайте на вход сумматора два синусоидальных сигнала с частотой 1 кГц, одинаковыми амплитудами 0,1–0,5 В и нулевым фазовым сдвигом, а затем с фазовым сдвигом 180о. Убедитесь, что суммирование сигналов осуществляется согласно выражению (22).

3. Исследуйте схему дифференциального усилителя на ОУ (рис. 5), выбрав N=10, UC = 1 мВ и fC = 50 Гц, а UСФ = 10 В и fСФ = 500 Гц. Определите коэффициент подавления синфазного сигнала для ОУ, сравните с паспортными данными. Указание: для более точного измерения коэффициента передачи синфазного сигнала целесообразно установить напряжение источника UC = 0.

4. Усилители переменного тока на основе ОУ

Большим достоинством ОУ является то, что с его помощью можно усиливать постоянную составляющую напряжения или тока. Как правило, в этом случае необходим двухполярный источник питания для ОУ. Но если усиление постоянной составляющей не является необходимостью, то на основе ОУ можно строить усилители переменного напряжения. В этом случае придётся использовать разделительные конденсаторы, что при двухполярном питании позволяет существенно снизить напряжение смещения на выходе усилителя либо обойтись однополярным источником питания.

Примеры усилителей переменного напряжения при использовании двухполярного питания приведены на рисунке 9.

Разделительные конденсаторы убирают постоянную составляющую в сигнале. Резистор R1 в схеме неинвертирующего усилителя необходим для шунтирования на землю постоянного входного тока ОУ. Благодаря наличию конденсаторов в схемах по постоян-ному току осуществляется стопроцентная обратная связь, то есть коэффициент усиления схем на постоянном токе равен единице. Поэтому смещение, возникающее на входе, передаётся на выход без усиления.

Амплитудно-частотная характеристика неинвертирующего усилителя в области нижних частот описывается выражением:

, (25)

 Скачать реферат