Практическая работа №6. Расчет и моделирование аналогового двухвходового сумматора.
Цель работы.
Рассчитать и исследовать работу сумматор, на операционном усилителе, изучить основные характеристики.
Краткие теоретические сведения.
Обратная связь (ОС) — это условие функционирования физической системы, при котором часть энергии передается с ее выхода на вход. Введение ОС в физическую систему, например электронную, изменяет рабочие характеристики системы.
На практике, главным образом в усилителях, ОС организована так, что часть выходного сигнала, подаваемая на вход усилителя, вычитается из входного сигнала. Такая связь называется отрицательной обратной связью (ООС). Если часть выходного сигнала, подаваемая на вход, складывается с входным сигналом, то ОС называется положительной обратной связью (ПОС) или (достаточно редко) регенеративной
Отрицательная обратная связь стабилизирует коэффициент усиления усилителя, расширяет его полосу пропускания, уменьшает шумы и искажения и используется значительно чаще, чем ПОС, которая увеличивает коэффициент усиления, но уменьшает полосу пропускания и ухудшается стабильность усиления. ПОС применяется преимущественно в генераторах.
Цепь обратной связи (ОС) может быть частотно-зависимой, тогда коэффициент усиления будет определенным образом зависеть от частоты, если же цепь ОС является амплитудно-зависимой, то усилитель обладает нелинейной характеристикой (распространенным примером такой схемы служит логарифмический усилитель, в котором в цепи ОС используется логарифмическая зависимость напряжения UБЭ от тока IК в диоде или транзисторе). Обратную связь можно использовать для формирования источника тока (выходной импеданс близок к бесконечности) или источника напряжения (выходной импеданс близок к нулю), с ее помощью можно получить очень большое или очень малое входное сопротивление. Вообще говоря, тот параметр, по которому вводится обратная связь, с ее помощью улучшается. Например, если для обратной связи использовать сигнал, пропорциональный выходному току, то получим хороший источник тока.
Операционный усилитель (ОУ) (или дифференциальный усилитель) – это устройство с дифференциальным входом. Усилитель строится так что он усиливает только разность напряжений, поданных на его вход (Uвх1 – Uвх2), и не реагирует на синфазное входное напряжение. Для большинства микросхем операционных усилителей коэффициент усиления (передачи) по напряжению Ku находится в приделах 100000…1000000 раз.
Обычно
операционный усилитель состоит из
входного дифференциального каскада,
усилителя с большим коэффициентом
усиления, и относительно мощного
выходного каскада. При анализе схем на
ОУ часто полагают, что
Эти условия соответствуют так называемому
идеальному
операционному усилителю.
Прообразом ОУ может служить классический
дифференциальный усилитель с двумя
входами и несимметричным выходом;
правда, следует отметить, что реальные
операционные усилители обладают
значительно более высокими коэффициентами
усиления (обычно порядка 105
– 106)
и меньшими выходными импедансами, а
также допускают изменение выходного
сигнала почти в полном диапазоне
питающего напряжения (обычно используют
источник питания ±15 В). Промышленность
выпускает сейчас сотни типов операционных
усилителей; одно из условных обозначении,
принятое для всех типов, представлено
на рисунке 6.1; входы обозначают (+) и (-),
и работают они, как можно догадаться,
следующим образом: выходной сигнал
изменяется в положительном направлении,
когда потенциал на входе (+) становится
более положительным, чем потенциал на
входе (-), и наоборот.
Рисунок 6.1 – Условное графическое обозначение ОУ
Символы "+" и "-" не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным, чем на другом; эти символы просто указывают относительную фазу выходного сигнала (это важно, если в схеме используется отрицательная ОС). Во избежание путаницы лучше называть входы "инвертирующий" и "неинвертирующий", а не вход "плюс" и вход "минус". На схемах часто не показывают подключение источников питания к ОУ и вывод, предназначенный для заземления. Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и никогда (за редким исключением) не используются без обратной связи. Можно сказать, что операционные усилители созданы для работы с обратной связью. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли ОС характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи. Конечно, при более подробном изучении должно оказаться, что такое обобщенное заключение справедливо не всегда.
Операционный усилитель обладает таким большим коэффициентом усиления по напряжению, что изменение напряжения между входами на несколько долей милливольта вызывает изменение выходного напряжения в пределах его полного диапазона, поэтому не будем рассматривать это небольшое напряжение, а сформулируем правило 1: