Для построения различных решающих усилителей применяют операционные усилители с отрицательной обратной связью. Повторитель
Для схемы повторителя (усилитель со 100%-ной отрицательной обратной связью) потенциал инвертирующего входа φ– равен потенциалу неинвертирующего входа φ+, который заземлен:
φ– = φ+
Поэтому напряжение на инвертирующем входе численно равно потенциалу φ+. Так как вход ОУ накоротко соединен с выходом, то выходное напряжение Uвых по знаку и по величине равно входному напряжению. Следовательно, коэффициент передачи такого усилия равен единице. Повторитель, потому что повторяет на выходе фазу и модуль входного напряжения. Однако при этом он обладает большим входным сопротивлением (малый входной ток) и малым выходным сопротивлением (несколько десятков Ом) и используется как согласователь.
Инвертирующий усилитель
Инвертирующий усилитель- это усилитель , где входной сигнал подается на инвертирующий вход и входной и выходной сигналы находятся в противофазе.
Определим коэффициент усиления инвертирующего усилителя:
,
,
Неинвертирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель- это усилитель , где входной сигнал подается на неинвертирующий вход и входной и выходной сигналы находятся в одной фазе.
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется по формуле:
Сумматор
Ко входу операционного усилителя могут быть подключены параллельно несколько резисторов. В этом случае выходное напряжение будет суммироваться по входным напряжениям с учетом знака и коэффициента масштабирования. Такие усилители называются сумматорами.
Сумматор на операционном усилителе.
Выходное напряжение на сумматоре пропорционально сумме входных напряжений:
Uвых= - (R4/R1)*(Uвх1+Uвх2+Uвх3)
При использовании резисторов в качестве масштабирующих элементов схем для идеального операционного усилителя коэффициент передачи не зависит от частоты. В случае использования реактивных элементов (конденсаторов, катушек индуктивности) получается частотная зависимость коэффициента передачи.
ИНТЕГРАТОР
Если в инвертирующем усилителе резистор обратной связи заменить на конденсатор, то получится интегратор
Рис. !. 8. Интегратор.
Учитывая, что потенциал инвертирующего входа равен нулю (неинвертирующий вход заземлен), принимается, что входное напряжение падает на входном элементе, а
выходное – на элементе цепи обратной связи. Ток через конденсатор описывается выражением:
Тогда коэффициент передачи для интегратора будет рассчитываться по формуле:
Если входное напряжение представляет собой синусоиду вида:
Uвх=U0Sin(ωt)
То зависимость выходного напряжения от частоты для интегратора будет описываться выражением:
А амплитудно-частотная характеристика:
ДИФФЕРЕНЦИАТОР
Если резистор входной цепи инвертирующего усилителя заменить на конденсатор , то получится дифференциатор.
Рис. !. 9. Дифференциатор.
Коэффициент передачи для дифференциатора:
Если входное напряжение представляет собой синусоиду вида:
Uвх=U0Sin(ωt)
То АЧХ для дифференциатора будет описываться выражением:
Так как интегрирующая цепь, как и дифференцирующая, образованы последовательно включенными R и C, то между входными и выходными напряжениями возникнет сдвиг фаз. Эту зависимость отражает фазо-частотная характеристика.
Экспериментальная часть
Исследование линейного инвертирующего усилителя.
Собрать схему 1. Установить параметры: R1 = 100 Ом, R2 согласно варианту,
установить параметры ОУ:
предельная частота FU = 107 Гц и FP2 = 0.
Параметры генератора: форма прямоугольная, частота 1 кГц, заполнение 50 %, амплитуда 1 мВ, смещение 0. Осциллограф: развёртка 0,5 мс/дел, левый канал 5 мВ/дел, правый канал 50 мВ/дел.
Боде-плоттер: частоты 1Гц – 10 МГц, пределы по вертикали +60 дб, - 20 дб.
Снять частотную характеристику усилителя с обратной связью, определить верхнюю граничную частоту по спаду на 3 дб.
Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений при частоте входного напряжения 1, 10, 100, и 1000 кГц
.
Схема 1. Инвертирующий усилитель
Исследование сумматора.
Собрать схему 2. R3 = R4 = 100 Ом, R5- согласно варианту.
Определить коэффициент передачи при Е= 10 мВ и E1 =0.
Определить коэффициент передачи при Е=0 мВ и E1=20 мВ.
Найти выходное напряжение при подаче Е=10 мВ и E1 согласно варианту. Написать формулу для выходного напряжения при произвольном напряжении E1.
Схема 2. Сумматор