I.6. Интегрирующий усилитель
Это устройство в котором входное и выходное напряжение связано соотношением:
.
(10)
Простейшим интегрирующим цепям (например RC - цепям) аналогичны недостатки предыдущего устройства. Схема интегрирующего усилителя на ОУ приведена на рис. 1.9.
Рис. 1.9. Включение ОУ по схеме интегрирующего усилителя
Считая ОУ идеальным можно записать Uвх = RIвх и Uвых=Uс , а учитывая, что Iвх= - Iос = СdUвх/dt , то получим Uвх/R=-СdUвых/dt . Следовательно:
,
(11)
где RС= - постоянная времени интегрирующего усилителя.
Коэффициент передачи интегрирующего усилителя определяется выражением
К(j) = Uвых/ Uвх = (j)-1 =K() e j(), (12)
где K() = ()-1 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); () = - /2 - фазово-частотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи интегрирующего усилителя.
2. Задания на теоретические расчеты
До проведения расчетов необходимо изучить раздел I настоящих указаний. При проведении расчетов ОУ считать идеальным.
ЗАДАНИЕ 1. Рассчитать коэффициент усиления инвертирующего усилителя (рис. 1.4), приняв R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм.
ЗАДАНИЕ 2. Рассчитать выходное напряжение неинвертирующего усилителя (рис. 1.5), приняв R1 = 10 кОм, R2 = 100 кОм, Uвх = 100 мВ.
ЗАДАНИЕ 3. Рассчитать выходное напряжение дифференциального усилителя (рис. 1.7), приняв R1 = R2 = 10 кОм, R3 = R4 = 100 кОм, Uвх1 = Uвх2 = 1 В.
ЗАДАНИЕ 4. Рассчитать и построить график АЧХ коэффициента передачи дифференцирующего усилителя (рис. 1.8) для диапазона частот (20...20.103) Гц, приняв R = 100 кОм, С = 16 нФ.
Нарисовать временную диаграмму выходного сигнала дифференцирующего усилителя считая, что выходной сигнал периодическая последовательность однополярных импульсов с амплитудой 1 В, частотой 100 Гц.
ЗАДАНИЕ 5. Повторить задание 4 для схемы (рис. 1.9) интегрирующего усилителя, считая R = 100 кОм, С = 16 нФ.
3. Задания на экспериментальные исследования и методика их выполнения
3.1. Исследование инвертирующего усилителя
Для исследования ОУ, работающего в режиме инвертирующего усилителя, собрать в системе Multisim EWB9 и промоделировать схему, представленную на рис. 3.1. В качестве DA1 выбрать модель ОУ согласно заданного варианта.
Рис. 3.1. Схема исследования инвертирующего усилителя на ОУ
3.1.1. Проверка выполнения соотношения (2):
а) подать на вход усилителя гармонический сигнал с частотой 1 кГц и амплитудой 1В (эффективное значение 0,7В);
б) с помощью амперметров PA1, PA2 и PA3 (в режиме измерения переменного тока – АС), измерить токи Iвх, Iос, Iоу;
в) проверить соотношения (2).
3.1.2. Проверка выполнение условия “виртуального замыкания” входов ОУ.
Для этого, не изменяя элементы схемы (рис. 3.1), замкнуть инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ. С помощью вольтметра PV2 (в режиме измерения постоянного тока – DС), определить напряжение смещения ОУ Uсм (рис. 1.3 б).
3.1.3. Экспериментально определить коэффициент усиления (Кu) инвертирующего усилителя, где Кu = Uвых / Uвх;
а) измерения Кu проводить на частоте 1 кГц при амплитуде входного сигнала 1В с помощью вольтметров PV1 и PV2 (в режиме измерения переменного тока – АС);
б) сравнить результаты эксперимента с расчетом.
в) зарисовать временные диаграммы входного и выходного сигналов инвертирующего усилителя. Для получения устойчивой картины на экране осциллографа эксперимент проводить в режиме внутренней синхронизации осциллографа.
3.1.4. С помощью осциллографа XSC1 проконтролировать входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя.
Для различных значений напряжения источников питания ОУ (Е1 и Е2) определить момент наступления ограничения амплитуды выходного сигнала инвертирующего усилителя. Значения напряжений принять следующие: 15 В; 12 В; 9 В; 5 В.
Изменяя значение напряжения входного сигнала от 0 В до момента наступления ограничения выходного сигнала с шагом 0,1 В с помощью осциллографа XSC1 определить максимальные выходные напряжения Uвых max+ и Uвых max- на выходе усилителя.
Провести эти же измерения для треугольной и прямоугольной формы входного сигнала усилителя. Увеличивая значение напряжения входного сигнала пронаблюдать изменение формы выходного сигнала. Сделать выводы, как зависят максимальные выходные напряжения Uвых max+ и Uвых max- от напряжения питания ОУ.
Увеличить в 2 раза коэффициент усиления инвертирующего усилителя Ku с помощью соответствующего изменения номинала резистора RОС (R3 рис. 3.1) и повторить задание пункта 3.1.4.