Общие сведения об операционных усилителях

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления напряжения, имеющий два входа и один выход. Название ‘операционный’ связано с первоначальным применением ОУ для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, интегрирование, инвертирование и др.). В настоящее время ОУ применяются в генераторах сигналов синусоидальной и импульсной форм, активных фильтрах, стабилизаторах напряжения и т. д.

Модели операционных усилителей хранятся в библиотеке OPAMP. Графическое обозначение часто применяемого ОУ ‘LM741’ представлено на рис. 1.

Рис. 1. Графическое обозначение ОУ LM741.

Вход усилителя + (вывод 3) называется неинвертирующим; а второй – (вывод 2) – инвертирующим. Вывод 6 является выходом ОУ. На выводы 7 и 4 подаются напряжения питания ОУ от двух источников постоянного напряжения. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используется для введения в ОУ внешних отрицательных обратных связей.

ОУ имеют большое значение коэффициента усиления напряжения (≈ 200000), а также большое входное и малое выходное сопротивление.

Большие значения коэффициента усиления напряжения и входного сопротивления позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров входной цепи и цепи отрицательной обратной связи.

Инвертирующий усилитель (инвертор) (см. рис. 2), изменяющий знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора R2 параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Входное напряжение подается через резистор R1 от источника синусоидального напряжения V1 на инвертирующий вход ОУ.

Рис. 2. Схема инвертирующего усилителя.

Неинвертирующий вход ОУ заземляется. Питание ОУ осуществляется от двух источников постоянного напряжения V2 и V3 с напряжением -15 В и +15 В. Коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя определяется:

K _V = R 2 / R 1 (1)

Значения сопротивлений резисторов указаны на схеме. Нагрузкой инвертирующего усилителя является резистор R3.

Задание 1. Создайте папку с именем Lab_rab6, имеющую путь доступа C: \Ivanov\Lab_rab6, а в ней создайте папки Zadanie1, …, Zadanie7, и запустите редактор Capture.

Начертите схему, представленную на рис. 2, зная, что ОУ LM741 хранятся в библиотеке OPAMP.

Задайте значения R1=1Meg, R2=1Meg, R3=2k и напряжение источников питания: для V2– -15V, для V3– +15V. Для источника синусоидального напряжения V1 отредактируйте значения обязательных свойств: AC=0; VOFF=0; VAMPL=1V; FREQ=5Hz; TD=0; DF=0; PHASE=0.

Создайте профиль моделирования Transient со следующими параметрами: Run to time: 5 s, Start saving data after: 0, Maximum step size: 0.01 и затем сохраните его.

Запустите процесс моделирования, по окончанию которого отобразите временные диаграммы напряжений V(R1: 1) и V(R3: 1) и занесите их в отчет. Измерив амплитуды V(R1: 1) и V(R3: 1), вычислите K _V и сравните его с значением, полученным по формуле (1).

Задайте R2=2Meg, аналогично проведите моделирование. Измерив на временной диаграмме амплитуды V(R1: 1) и V(R3: 1), вычислите K _V и занесите его в отчет.

Сохраните проект в папке Zadanie1.

Сумматор. Схема сумматора выполняется по типу инвертирующего усилителя (см. рис. 3) с числом параллельных ветвей на входе, равным количеству сигналов, предназначенных для сложения. Суммирование напряжений производится с соответствующими весовыми коэффициентами для каждого из слагаемых:

Это достигается применением различных значений сопротивлений резисторов во входных ветвях.

Рис. 3. Схема сумматора.

Задание 2. Запустите редактор Capture и начертите схему, представленную на рис. 3. Задайте значения R1=R2=R3=1Meg и напряжения: для источника входного напряжения V2 – +2V, а для источников питания: V3 – -15V, V4– +15V. Для источника входного синусоидального напряжения V1 отредактируйте значения обязательных свойств: AC=0; VOFF=0; VAMPL=1V; FREQ=5Hz; TD=0; DF=0; PHASE=0.

Создайте профиль моделирования Transient со следующими параметрами: Run to time: 5 s, Start saving data after: 0, Maximum step size: 0.01 и затем сохраните его.

Запустите процесс моделирования, по окончанию которого отобразите временные диаграммы напряжений: V(R1: 1), V(R2: 1), V(U1: out) и занесите их в отчет. Для двух моментов времени проведите измерение значений этих напряжений. Сравните результаты замеров, подставив их в формулу (2).

Задайте R1=0.5Meg, а R2=2Meg и повторно проведите моделирование. По окончанию моделирования отобразите временные диаграммы напряжений V(R1: 1), V(R2: 1), V(U1: out) и занесите их в отчет.

Для двух моментов времени проведите измерение значений этих напряжений. Сравните результаты замеров, подставив их в формулу (2).

Сохраните проект в папке Zadanie2.

Интегратор. Известно, что интегрирование – это математическая операция, в графическом представлении позволяющая определить площадь под кривой (отрезком). Интегрирование позволяет установить связь между взаимозависимыми функциями, которые имеют общую переменную. Например, если общей переменной является время, то для движущегося тела интеграл ускорения – это скорость, а интеграл скорости – это расстояние.

Схема интегратора (см.рис.4) создается заменой резистора в цепи обратной связи конденсатором C1. В этом случае связь между выходным и входным напряжениями определяется формулой:

где t – время интегрирования;

V ₀ – выходное напряжение при t = 0.

Задание 3. Запустите редактор Capture и начертите схему, представленную на рис. 4. Задайте значения R1=1Meg, C1=1u и напряжения: для источника входного напряжения V1 – +2V, а для источников питания: V2 – -15V, V3– +15V.

Рис. 4. Схема интегратора с источником постоянного напряжения.

Создайте профиль моделирования Transient со следующими параметрами: Run to time: 5 s, Start saving data after: 0, Maximum step size: 0.01 и затем сохраните его.

Запустите процесс моделирования, по окончанию которого отобразите временные диаграммы напряжений: V(R1: 1), V(U1: out) и занесите их в отчет. Заметим, что в данном случае интегрирование проводится в реальном масштабе времени поскольку R1*C1=1.

Для двух моментов времени проведите измерение значения напряжения V(U1: out). Сравните результаты замеров, подставив их в формулу (3), приняв V₀ = 0, и оцените погрешность интегрирования.

Задайте R1= 0.5Meg, изменив постоянную времени
и тем самым увеличив масштаб интегрирования во времени в 2 раза, повторно проведите моделирование. По окончанию моделирования отобразите временные диаграммы напряжений: V(R1: 1), V(U1: out) и занесите их в отчет.

Для двух моментов времени проведите измерение значения напряжения V(U1: out). Сравните результаты замеров, подставив их в формулу (3), приняв V₀ = 0, и оцените погрешность интегрирования.

Сохраните проект в папке Zadanie3.

Задание 4. Запустите редактор Capture и начертите схему, представленную на рис.5. Задайте значения R1=1Meg, C1=1u и напряжения для источника входного синусоидального напряжения V1; отредактируйте значения обязательных свойств: AC=0; VOFF=0; VAMPL=1V; FREQ=5Hz; TD=0; DF=0; PHASE=0, а для источников питания: V2 – -15V, V3– +15V.

В данную схему включены разделительный конденсатор С2 и сопротивление нагрузки R2. C2 выделяет только переменную составляющую выходного напряжения интегратора.

Создайте профиль моделирования Transient со следующими параметрами: Run to time: 5 s, Start saving data after: 0, Maximum step size: 0.01 и затем сохраните его.

Запустите процесс моделирования, по окончанию которого отобразите временные диаграммы напряжений: V(R1: 1), V(R2: 1) и занесите их в отчет. Для наглядности эти диаграммы приведены на рис. 5.а.

Рис. 5. Схема интегратора с разделительным конденсатором С2 и нагрузкой R2.