Основная масса современных аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств выполняется на специализированных микросхемах – операционных усилителях(условное графическое обозначение и примеры реализации приведены на рис. 6.3).
Операционный усилитель (ОУ) – унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на интегральной схеме и удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:
- коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности (KU → ∞);
- входное сопротивление стремится к бесконечности (RВХ → ∞);
- выходное сопротивление стремится к нулю (RВЫХ → 0);
41- если входное напряжение стремится к нулю, то выходное напряжение также равно нулю (UВХ = 0 → UВЫХ = 0);
- бесконечная полоса усиливаемых частот (fВ → ∞)
Являясь, по существу, идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п.
Рис. 6.3. Операционный усилитель: обозначение на схемах и реальные устройства
Основные типы схем на базе ОУ:
Инвертирующий усилитель. Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя) R1 и Roc между выходом и инвертирующим входом, и соединив неинвертирующий вход ОУ с общей точкой, получим инвертирующий усилитель (рис. 6.4).
 |
Рис. 6.4 Схема инвертирующего усилителя на ОУ
Зависимость выходного напряжения от входного сигнала (статическая амплитудная характеристика) такого усилителя рассчитывается по формуле:
, (6.1)
где: R 1 и R ос – сопротивления, определяющие коэффициент усиления инвертирующего усилителя.
Из формулы следует, что при значении R ос = R 1, амплитудная характеристика инвертирующего усилителя принимает следующий вид:
. (6.2)
Модель инвертирующего усилителя в среде Multisim (рис. 6.5):
Рис. 6.5. Инвертирующий усилитель
Рис. 6.6. Показания осциллографа, подключенного ко входу и выходу инвертирующего усилителя
Неинвертирующий усилитель. Схема неинвертирующего усилителя представлена на рисунке 6.7.
 |
Рис. 6.7. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ.
Амплитудная характеристика неинвертирующего усилителя на ОУ рассчитывается по следующей зависимости:
, (6.3)
где: R 1 и R ос – сопротивления, определяющие коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.
Из формулы следует, что при значении R ос = 0, амплитудная характеристика принимает следующий вид:
. (6.4)
Модель инвертирующего усилителя в среде Multisim (рис. 6.8):
Рис. 6.8. Неинвертирующий усилитель
Рис. 6.9. Показания осциллографа, подключенного ко входу и выходу неинвертирующего усилителя
Дифференциальный усилитель. Усиливает разность двух входных напряжений на соответствующих входах Uвх 1 и Uвх 2 и подавляет на них синфазный (одинаковый) сигнал помехи.
 |
Рис. 6.10 Схема дифференциального усилителя на ОУ.
Амплитудная характеристика дифференциального усилителя на ОУ рассчитывается по следующей зависимости:
, (6.6)
где: R 1 и R ос – сопротивления, определяющие коэффициент усиления дифференциального усилителя.
При этом должно соблюдаться условие:
(6.7)
Модель инвертирующего усилителя в среде Multisim (рис. 6.11):
Рис. 6.11. Дифференциальный усилитель
Рис. 6.11. Показания осциллографа, подключенного ко входу и выходу дифференциального усилителя
Фильтрация помех. Схема
Во многих электрических, радиотехнических, и телеметрических системах и устройствах необходимо выделять узкополосные составляющие. Сигналы заданной частоты или заданной полосы частот выделяют при помощи частотных электрических фильтров.
К частотным электрическим фильтрам предъявляются два основных требования. В одной области частот, которая называется полосой пропускания (или полосой прозрачности), составляющие частотного спектра выделяемого сигнала не должны ослабляться, а в другой, называемой полосой задерживания (заграждения, подавления, режекции), их ослабление (затухание) должно быть не меньше определенного значения.
Фильтр считают идеальным, если в полосе пропускания ослабление отсутствует и фазово-частотная характеристика линейна (при этом условии нет искажения формы сигналов), а вне полосы пропускания все частотные составляющие полностью подавляются.
На одном ОУ достаточно просто реализуется фильтр второго порядка. На рисунке представлен фильтр низкой частоты на операционном усилителе LM324N. Для реализации фильтров нижних частот, верхних частот и полосовых широкое применение нашла схема фильтра второго порядка Саллена-Ки. На рис. 6.12 приведен ее вариант для ФНЧ.
 |
(а)
Рис. 6.12 Схемы активного фильтра 2-го порядка на ОУ
В среде Multisim модель такого фильтра может быть собрана так, как представлено на рис. 6.13. Частоту среза такого фильтра можно рассчитать по формуле:
Рис. 6.13. ФНЧ на операционном усилителе
Произведем расчет частоты среза собранного ФНЧ:
Гц
С помощью анализа на AC получим АЧХ исследуемого фильтра. Наблюдаемая частота среза находится в диапазоне 200 Гц.
