Моделирование электрических цепей

Операционные усилители

Теоретические сведения

Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока, имеющий высокий коэффициент усиления. Операционные усилители используются во многих схемах, таких как усилители звука, генераторы радиосигналов и фильтры. Операционные усилители могут иметь различную архитектуру.

На электрических схемах ОУ изображается следующим символом:

Он имеет два входа и и один выход . Входное напряжение равно разности напряжений на положительном и отрицательном входах:

На выход ОУ поступает усиленный сигнал:

ОУ используются в схемах с отрицательной обратной связью. Обратная связь стабилизирует поведение ОУ.

В схеме, приведенной на рисунке выше, выходное напряжение ОУ легко вычислить по формуле

Но что делать, если схема более сложная? Например, такая:

Для этой схемы аналитически получить выражение для выходного напряжения ОУ довольно сложно. В таких случаях можно использовать моделирование с помощью Engee.

В библиотеке Физическое моделирование на палитре Фундаментальные -> Электричество -> Элементы находится блок Операционный усилитель.

Моделирование инвертирующего операционного усилителя

Инвертирующий операционный усилитель представляет собой схему обратной связи, но с входным напряжением и обратной связью, подключенными к отрицательному входу:

В результате получается сигнал, который одновременно усиливается и инвертируется относительно входного сигнала.
Выходное напряжение равно:

В следующем упражнении вы будете моделировать инвертирующий операционный усилитель, работающий от источника переменного напряжения.

✏️Задание 1

Начните построение модели:

1. Создайте новую модель. Добавьте в модель блок Источник переменного напряжения, расположенный в библиотеке Физическое моделирование, на палитре Фундаментальные -> Электричество -> Источники. Задайте значение параметра Амплитуда равным 1 мВ.

2. Добавьте в модель блок Операционный усилитель, расположенный в библиотеке Физическое моделирование, на палитре Фундаментальные -> Электричество -> Элементы.

3. В схеме инвертирующего операционного усилителя положительный вход должен быть подключен к земле. Источник напряжения также должен быть заземлен. Добавьте в модель два блока Электрическое заземление. Подключите один из этих блоков к отрицательному входу источника переменного напряжения, а второй – к положительному входу операционного усилителя.

4. Добавьте в модель блок Резистор. Подключите положительный порт резистора к положительному выходу источника переменного напряжения. Подключите отрицательный порт резистора к отрицательному входу операционного усилителя. Задайте значение параметра Сопротивление равным 10 Ом.

Решение

Коэффициент усиления основан на отношении сопротивления обратной связи ко входному сопротивлению:

✏️Задание 2

Модифицируйте модель:

1. Добавьте в модель второй блок Резистор. Задайте значение параметра Сопротивление равным 10 кОм. Чтобы создать контур обратной связи, подключите отрицательный (-) порт резистора к выходу операционного усилителя. Подключите положительный (+) порт резистора ко входу операционного усилителя.

2. Добавьте в модель блок Solver Configuration (настройки решателя) и подключите его к любой точке цепи.

Решение

Схема инвертирующего операционного усилителя готова. ОУ должен усиливать выходное напряжение и инвертировать его относительно входного напряжения. Выходной нагрузкой в модели будет служить резистор. Напряжение на резисторе будет являться выходным напряжением.

✏️Задание 3

Завершите построение модели:

1. Добавьте в модель третий (нагрузочный) блок Резистор. Подключите положительный порт резистора к выходу операционного усилителя. Задайте значение параметра Сопротивление равным 10 Ом.
2. Добавьте в модель третий блок Электрическое заземление. Подключите его к отрицательному порту нагрузочного резистора.
3. Добавьте в модель блок Датчик напряжения и подключите его параллельно нагрузочному резистору. Подключите к порту V блока Датчик напряжения блок Заглушка и залогируйте выходной сигнал вольтметра.
4. В окне настроек модели задайте размер шага равным 0.0001 с, а время моделирования – 0.04 с.
5. Запустите модель и постройте график выходного напряжения ОУ от времени.

Решение

Модель:

График решения:

Моделирование дифференциального операционного усилителя

Инвертирующая и неинвертирующая схемы ОУ являются основой для многих других схем. В этом упражнении вы модифицируете схему инвертирующего ОУ и построите схему дифференциального ОУ. Эта схема усиливает разность между входами ОУ:

✏️Задание 4

1. Откройте модель Модель дифференциального ОУ_ Начало.engee.

2. Добавьте в модель еще два блока Резистор. Задайте значение параметра Сопротивление одного резистора равным 1e3 Ом, а второго резистора – 100e3 Ом. Второй резистор поверните влево так, чтобы его отрицательный порт находился вверху, а положительный – внизу.

3. Добавьте в модель ещё один блок Источник постоянного напряжения. Задайте значение параметра Постоянное напряжение равным 5 мВ. Разверните блок так, чтобы его отрицательный порт находился вверху, а положительный – внизу.

Пока не подсоединяйте новые блоки к схеме.

Решение

✏️Задание 5

Завершите построение модели:

1. Добавьте в модель еще два блока Электрическое заземление.
2. Подключите добавленные блоки так, как показано на рисунке:

3. Запустите модель и постройте график зависимости выходного напряжения ОУ от времени.

Решение

Ожидаемый выходной сигнал равен

Тест для получения сертификата

Пройти тест по разделу >>