15

Лабораторная работа № 1 изучение основных схем включения операционного усилителя

Цель работы: изучить основные характеристики операционного усилителя (ОУ) и принципы построения типовых схем аналоговых устройств на ОУ, научиться проводить расчеты типовых схем и экспериментальную проверку основных характеристик этих схем.

1 Краткие теоретические сведения

1.1 Общие сведения

Операционные усилители - это усилители постоянного тока, имеющие дифференциальный вход, большой коэффициент усиления, по своим усилительным характеристикам приближающиеся к идеальному усилителю, и используемые для выполнения различных операций с электрическими сигналами (усиление, масштабирование, суммирование, вычитание, умножение, интегрирование и др.)

Операционные усилители имеют как минимум 5 выводов. Схемное обозначение операционного усилителя показано на рис. 1.1.

Рис. 1.1 – Обозначение ОУ

Входной каскад ОУ выполняется в виде дифференциального усилителя и имеет два входа – инвертирующий и неинвертирующий. На схемах неинвертирующий вход обозначают знаком «», а инвертирующий вход обозначают знаком «» или кружком. Разность входных напряжений U_д = U₁  U₂ называют дифференциальным входным напряжением.

ОУ усиливает разность входных напряжений (дифференциальное входное напряжение) :

U_вых = K_u(U₁U₂) = K_u U_д,

где K_u – дифференциальный коэффициент усиления ОУ.

Если оба входа ОУ соединить вместе, то получившаяся схема будет иметь только один вход, а приложенное к нему напряжение называется синфазным U_C. Идеальный ОУ не должен усиливать синфазное напряжение, однако в реальных ОУ вследствие различных факторов происходит усиление синфазного напряжения. Отклонение параметров реального ОУ от идеального характеризуется коэффициентом усиления синфазного сигнала КОСС.

Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и отрицательными сигналами используется двухполярное питание. Чаще всего интегральные ОУ рассчитаны на напряжение 15В. Кроме основных 5 выводов, интегральные ОУ могут иметь еще несколько дополнительных выводов, с помощью которых подключаются внешние цепи коррекции характеристик ОУ.

В преобразователях аналоговых сигналов ОУ всегда применяются с отрицательной обратной связью (ООС), которая уменьшает коэффициент усиления, устраняет искажения и нелинейность, расширяет полосу усиливаемых частот и т.д. Принцип введения ООС показан на рис. 1.2.

Рис. 1.2 – Принцип отрицательной обратной связи

Выход усилителя через цепь обратной связи с коэффициентом передачи   1 связан с его входом. При ООС напряжение на выходе цепи обратной связи вычитается из входного напряжения, и коэффициент усиления схемы вычисляется по формуле:

K = K_u/(1+K_u).

Для ОУ, охваченного глубокой ООС, коэффициент усиления схемы вычисляется по формуле:

K ≈ 1/.

Из этого соотношения следует, что коэффициент усиления схемы с ООС в основном определяется свойствами внешней обратной связи и практически не зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразователи сигналов.