Объект: IOPAMP

Библиотека: Electronics

Имя на уровне решателя: Electronics.IOPAMP

Аннотация: Идеальный операционный усилитель

Обозначение:

Порты (степени свободы) компонента:

№	Обозначение порта	Тип	Наименование порта
1	Port1	ELECTRIC	Электрический порт 1 неинвертирующего входа сигнала
2	Port2	ELECTRIC	Электрический порт 2 инвертирующего входа сигнала
3	Port3	ELECTRIC	Электрический порт 1 выходного сигнала Vout

Пользовательские параметры модели:

№	Параметр	Тип	Описание	Единица	Значение по умолч.
1	K	real	Коэффициент усиления		1.0
2	R	real	Выходное сопротивление	ohm	1.0

Расчетные и измеряемые величины:

№	Параметр	Описание	Единица
1	V_Voltage1	Электрический потенциал на порте ;	V
2	S_ElectricCurrent1	Электрический ток на порте ;	A
3	V_Voltage2	Электрический потенциал на порте ;	V
4	S_ElectricCurrent2	Электрический ток на порте ;	A
5	V_Voltage3	Электрический потенциал на порте ;	V
6	S_ElectricCurrent3	Электрический ток на порте ;	A

Результаты тестирования

Идеальный операционный усилитель (IOPAMP). Проверка инвертирующего включения.

Описание устройства

Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель электрических сигналов с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, обладающий очень высоким коэффициентом усиления (теоретически — бесконечным).

Ключевые характеристики идеального ОУ:

• Бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (K → ∞)

• Бесконечно большое входное сопротивление (токи входов равны нулю)

• Нулевое выходное сопротивление

• Бесконечная полоса пропускания

• Нулевое напряжение смещения (при равных входах выход равен нулю)

Принцип работы с обратной связью

Операционные усилители почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью (ООС). Благодаря высокому коэффициенту усиления, параметры полученной схемы (коэффициент усиления, входное/выходное сопротивление) определяются практически исключительно элементами цепи обратной связи, а не параметрами самого ОУ.

Это свойство делает ОУ идеальным строительным блоком для построения разнообразных аналоговых схем: усилителей, интеграторов, дифференциаторов, фильтров, сумматоров и т.д.

Анализ тестовой схемы

В данном тесте исследуется инвертирующее включение операционного усилителя — одна из базовых схем включения ОУ.

Схема содержит:

• Источник входного сигнала (напряжение Vin)

• Идеальный операционный усилитель

• Резистор R1 (1 кОм) — входной резистор

• Резистор R2 (3 кОм) — резистор обратной связи

• Нагрузка (подключена к выходу)

Расчет коэффициента усиления

Для инвертирующего включения ОУ с идеальной отрицательной обратной связью справедливо соотношение (на основе правила «мнимой земли» и равенства токов через R1 и R2):

\[V_{out} = -V_{in} \cdot \frac{R2}{R1}\]

Знак «минус» указывает на инверсию фазы входного сигнала.

Подставляя исходные данные:

\[\frac{R2}{R1} = \frac{3\ \text{кОм}}{1\ \text{кОм}} = 3\]

Таким образом, коэффициент усиления схемы по напряжению:

\[K_u = -\frac{R2}{R1} = -3\]

Выходное напряжение будет равно:

\[V_{out} = -3 \cdot V_{in}\]

При максимальном входном сигнале Emax = 5 В (с учетом ограничений источника):

\[V_{out(max)} = -3 \cdot 5 = -15\ \text{В}\]

Проверка основных свойств идеального ОУ в данной схеме:

1. Виртуальная земля (мнимая земля) — благодаря огромному коэффициенту

   усиления и отрицательной обратной связи, напряжение на инвертирующем входе практически равно напряжению на неинвертирующем входе (0 В), хотя физически вход с землей не соединен.

2. Равенство токов — через резисторы R1 и R2 протекает один и тот же ток,

   так как входной ток ОУ равен нулю (бесконечное входное сопротивление):

   \[I = \frac{V_{in} - 0}{R1} = \frac{0 - V_{out}}{R2}\]

3. Независимость от нагрузки — благодаря нулевому выходному сопротивлению,

   выходное напряжение не зависит от тока нагрузки (в пределах допустимых значений для реальных ОУ).

Начальные данные

Параметры элементов схемы:

• Emax (максимальное входное напряжение) = 5 В

• Br (внутреннее сопротивление источника, пренебрежимо мало) = 1×10⁻¹⁰ Ом

• R1 (входной резистор) = 1 кОм (1000 Ом)

• R2 (резистор обратной связи) = k·R1 = 3 кОм (3000 Ом)

• k (коэффициент пропорциональности) = 3

• end (время интегрирования) = 0.0002

Ожидаемый результат

При подаче на вход постоянного напряжения Vin:

• Выходное напряжение должно быть равно -3·Vin.

• При изменении Vin, Vout изменяется пропорционально с инверсией.

• Форма сигнала на выходе повторяет форму входного сигнала (линейное усиление).

• Ток через резисторы R1 и R2 одинаков и равен Vin / R1.

Для синусоидального входного сигнала амплитудой 1 В, на выходе должна наблюдаться синусоида амплитудой 3 В, сдвинутая по фазе на 180°.

Схема теста

Рисунок 1 - Схема тестирования идеального операционного усилителя (инвертирующее включение)

График результата теста

Рисунок 2 - Electronics_model_IOPAMP.Check