Изучение работы усилительных каскадов на базе операционных усилителей

 

Цель работы

1 Изучить принципы работы инвертирующего и неинвертирующего усилительных каскадов на базе операционных усилителей (ОУ).

2 Ознакомиться с работой пакетa MicroCap.

 

6.1 Теоретические сведения

Инвертирующее включение ОУ – это такое включение, при котором неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (см. рис. 6.1).

 

Рис. 6.1 Инвертирующее включение ОУ

 

Коэффициент усиления будет определяться соотношением:

K = U_вых / U₂ = R2 / R1

Выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, входной ток схемы I₁ = U₂ / R1. Следовательно, входное сопротивление схемы R_вх = R1. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным (т.е. воображаемым) нулем.

Неинвертирующее включение - это такое включение, при котором входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и R2 поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 6.2). Здесь коэффициент усиления схемы K будет определяться следующим выражением:

K = U_вых / U₁=1 + R2/R1

 

Рис. 6.2 Неинвертирующее включение ОУ

 

В такой схеме выходной сигнал синфазен входному. Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Такие схемы называют неинвертирующими повторителями, или просто повторителями на ОУ. Их могут изготавливать серийно в виде отдельных ИМС по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное сопротивление этой схемы в идеале бесконечно. На самом же деле, сопротивление у такой схемы есть, хотя оно достаточно велико.

 

6.2 Проведение компьютерного эксперимента

6.2.1. Запустить программу MicroCap.

6.2.2. Составить схему для исследования входных и выходных сигналов инвертирующего каскада на ОУ, согласно показанной на рис. 6.3.

Рис. 6.3 Схема инвертирующего каскада на ОУ

 

6.2.3 Определить коэффициент усиления составленной схемы.

6.2.4 Установить параметры источника входного напряжения (на схеме рис. 6.3.Vin) согласно модели, указанной на рис. 6.4.

Рис. 6.4 Окно установки параметров модели источника входного сигнала

 

6.2.5 Запустить анализ переходных процессов (Transient Analysis). Исследовать фазовые соотношения.

Выбрать пункт меню «Анализ ® Анализ переходных процессов». Установить параметры анализа: выражение по оси Х – время (Т), выражение по оси Y – входной сигнал (на рис. 6.3 напряжение узла 1: v(1)) и выходной сигнал (на рис. 6.3 напряжение узла 3: v(3)), аналогично указанным на рис. 6.5.

 

 

Рис. 6.5 Окно анализа переходных процессов для инвертирующего каскада на ОУ

 

6.2.6. Построить АЧХ усилительного каскада и изучить влияние на нее глубины ОС.

6.2.6.1. Для построения АЧХ усилительного каскада запустить анализ по переменному току (AC Analysis), выбрав пункт меню «Анализ ® Частотный анализ (АС)». Задать установки анализа аналогично представленным на рис. 6.6: диапазон частот: от 1Гц до 10⁶Гц; выражение по оси Х – частота (F), выражение по оси Y – коэффициент передачи по напряжению, K_U=u_вых/u_вх (по схеме на рис. 6.3. v(3)/v(1)), автомасштабирование включено.

Рис. 6.6 Окно установок частотного анализа

 

6.2.5.2. Для исследования влияния ОС на АЧХ схемы изменить номинал резистора обратной связи R2 с 1кОм на 200кОм, запустить частотный анализ (аналогично п. 6.2.5.1) и изучить изменение формы АЧХ каскада. Сделать соответствующие выводы.

6.2.7 Составить схему для исследования входных и выходных сигналов неинвертирующего каскада на ОУ, согласно показанной на рис. 6.7.

 

Рис. 6.7 Схема неинвертирующего каскада на ОУ

 

6.2.8 Определить коэффициент усиления составленной схемы.

6.2.9 Установить параметры источника входного напряжения (на схеме рис. 6.7.Vin) согласно модели, указанной на рис. 6.4.

6.2.10 Запустить анализ переходных процессов (Transient Analysis). Исследовать фазовые соотношения.

Выбрать пункт меню «Анализ ® Анализ переходных процессов». Установить параметры анализа: выражение по оси Х – время (Т), выражение по оси Y – входной сигнал (на рис. 6.7 напряжение узла 1: v(1)) и выходной сигнал (на рис. 6.7 напряжение узла 4: v(4)).

6.2.11 Построить АЧХ усилительного каскада и изучить влияние на нее глубины ОС.

6.2.11.1 Для построения АЧХ усилительного каскада запустить анализ по переменному току (AC Analysis), выбрав пункт меню «Анализ ® Частотный анализ (АС)». Задать установки анализа аналогично представленным на рис. 6.6: диапазон частот: от 1Гц до 10⁶Гц; выражение по оси Х – частота (F), выражение по оси Y – коэффициент передачи по напряжению, K_U=u_вых/u_вх (по схеме на рис. 6.7. v(4)/v(1)), автомасштабирование включено.

6.2.11.2 Для исследования влияния ОС на АЧХ схемы изменить номинал резистора обратной связи R2 с 1кОм на 200кОм, запустить частотный анализ (аналогично п. 6.2.10.1) и изучить изменение формы АЧХ каскада. Сделать соответствующие выводы.

 

6.3 Содержание отчета

- название и цель лабораторной работы;

- схема для снятия характеристик инвертирующего каскада на ОУ;

- сравнительные эпюры входного и выходного напряжений схемы;

-рассчитанное и установленное по эпюрам значения коэффициента усиления;

- АЧХ усилительного каскада;

- АЧХ усилительного каскада при измененном номинале R2;

- схема для снятия характеристик неинвертирующего каскада на ОУ;

- сравнительные эпюры входного и выходного напряжений схемы;

-рассчитанное и установленное по эпюрам значения коэффициента усиления;

- АЧХ усилительного каскада;

- АЧХ усилительного каскада при измененном номинале R2;

- краткие выводы по результатам работы.

 

6.4 Контрольные вопросы

1 Назовите тип ОС, используемой в инвертирующем усилителе на ОУ.

2 Перечислите основные параметры ОУ.

3 Приведите схему инвертирующего/неинвертирующего включения ОУ.

4 Поясните смысл термина «коэффициент ослабления синфазного сигнала».

5 Поясните, чем отличается синфазный сигнал от дифференциального.

 

Лабораторная работа 7