Методические указания к работе

В последние годы многие задачи синтеза электрических цепей с заданными свойствами решаются с использованием интегральных усилителей широкого применения, получивших название операционных усилителей (ОУ). Схемное изображение типового операционного усилителя приведено на рис.3. Усилитель имеет два входа (инвертирующий (-) и не инвертирующий (+)), и один выход, содержит то или иное число транзисторов (до 30) и резисторов и получает питание от источников постоянного напряжения. На схеме усилителя источники питания ОУ обычно не показываются.

Входное сопротивление операционного усилителя весьма велико (на практике десятки и сотни килоом). Выходное сопротивление достаточно мало (десятки ом). Поэтому приближенно операционный усилитель можно рассматривать как источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН). Современные ОУ имеют коэффициенты усиления m» 10⁴ ¸ 10⁵.

Простейшая схема замещения идеального ОУ приведена на рис.4. В неё входит зависимый источник напряжения типа ИНУН, подсоединенный к выходным зажимам усилителя. Его напряжение пропорционально разности напряжений U_вх1 и U_вх2 , подведенных к входным зажимам усилителя.

Другая более полная схема замещения ОУ показана на рис.5. В неё введены резистивные сопротивления, имитирующие конечное входное R_вх и выходное R_вых сопротивления усилителя. Частотный диапазон усиливаемых частот начинается со сколь угодно низких частот и ограничивается сверху емкостями паразитного характера. Последние имеются в любом реальном усилителе и вводятся в более полную схему замещения операционного усилителя.

Рассмотрим пример определения операторной передаточной функции цепи с операционным усилителем, основанный на применении метода узловых напряжений.

На первом этапе строится операторная схема замещения цепи при нулевых начальных условиях. Каждый операционный усилитель в исходной схеме заменяется его схемой замещения, в самом простом варианте используется схема, изображенная на рис. 4. К входным зажимам цепи подключается независимый источник напряжения U₁(p). Все идеализированные пассивные элементы цепи заменяются их операторными схемами замещения [2,4,10].

Далее составляется система уравнений по методу узловых напряжений в операторной форме. В результате решения системы находится операторный коэффициент передачи цепи по напряжению К(p).

В качестве примера рассмотрим цепь, изображенную на рис. 6, и найдем операторный коэффициент передачи цепи по напряжению. Перерисуем схему с учетом обозначения ИНУН и к входу цепи подключим независимый источник напряжения (рис. 7). Обозначим узловые напряжения в схеме замещения, как U_10, U₂₀,U₃₀,U₄₀.

Так как к узлам 1 и 2 подключены источники, равные соответственно U₁₀ и mU₄₀, то узловые уравнения составляются только для узлов 3 и 4:

Выразим из второго уравнения системы

,

подставим его в первое и учтем, что

.

В результате получим первое уравнение в следующем виде:

Отсюда легко получается операторный коэффициент передачи цепи по напряжению

.

Соответствующие амплитудно-частотная K (w) и фазочастотная j (w) характеристики выражаются формулами:

Далее по найденным аналитическим выражениям можно рассчитать и построить графики частотных характеристик цепи для двух значений коэффициента усиления операционного усилителя m ₁ и m ₂.

Рис.3. Схема операционного усилителя

Рис.4. Схема замещения операционного усилителя

Рис.5. Схема замещения ОУ с учетом сопротивлений

Рис.6. Схема цепи с ОУ

Рис.7. Схема замещения цепи