Лабораторна робота №5 дослідження роботи інвертуючого і неінвертуючого підсилювачів

Мета роботи: Експериментальне визначення передавальних характеристик інвертуючого і неінвертуючого підсилювачів, побудованих на базі операційних підсилювачів.

Стислі теоретичні відомості

Операційним підсилювачем (ОП) називається диференціальний підсилювач електричних сигналів, у якого вихідна напруга пропорційна різниці вхідних напруг і (рис 5.1) :

,

де к – коефіцієнт посилення ОП по напрузі.

Вхід х₁ ОП, на який подається напруга U, називається інвертуючим, а інший вхід, відповідно – неінвертуючим. Струми, що протікають по вхідних ланцюгах ОП, визначаються вхідним опором ОП.

ОП є багатокаскадним підсилювачем постійного струму, що задовольняє таким умовам:

• коефіцієнт посилення по напрузі ОП прямує до нескінченності і в реальних схемах складає ;

• вхідний опір прагне до нескінченності ;

• вихідний опір прагне до нуля (Rвых > 0), але в реальних схемах його типове значення для більшості схем ОП приймається рівним 2 кОм;

• якщо диференційна вхідна напруга ΔU = U_x2–U_x1 дорівнює нулю, то вихідна напруга прагне також до нуля .

Розрізняють статичні і динамічні експлуатаційні параметри ОП.

Статичні параметри несуть інформацію про характеристики і похибки ОП, які визначаються при повільній зміні сигналу. Основні статичні параметри ОП такі.

Коефіцієнт підсилення напруги Ku характеризує здатність ОП усилювати диференціальний сигнал, що подається на його входи:

Вхідна напруга зсуву Uзс_, обумовлена, в основному, неідентичністю транзисторів вхідного каскаду ОП. Наявність цієї напруги приводить до порушення умови _. Чисельно U_зс дорівнює значенню напруги, яку необхідну подати на вхід ОП, щоб вихідна напруга дорівнювала нулеві. Типове значення U_зс складає одиниці або десятки мілівольт, а для прецизійних ОП (наприклад К140УД17, К140УД25) – не більше декількох десятків мікровольт.

Вхідний струм (Iвх) - струм, який протікає у вхідному колі ОП для забезпечення необхідного режиму його роботи. Типове значення Iвх приймає значення від декількох десятків наноампер до декількох мікроампер.

Різниця вхідних струмів ΔI_вх =/ I_вх1-I_вх2/ – струм зсуву, обумовлений неоднозначністю величин коефіцієнтів посилення транзисторів вхідних каскадів ОП. Типові значення – від десятків мікроампер до одиниць наноампер.

Коефіцієнт п ослаблення синфазного сигналу, визначається як відношення напруги синфазного сигналу, поданого на обидва входи ОП, до диференціальної вхідної напруги, яка забезпечує на виході такий же сигнал, що і у разі синфазної напруги:

До основних динамічних параметрів, що характеризують швидкодію ОП, відносяться наступні параметри.

Частота одиничного підсилення f_max - значення частоти, на якій модуль коефіцієнта підсилення ОП рівний одиниці. Типове значення f_max лежить в діапазоні 10⁵- 10⁶ Гц,

Швидкість зміни вихідної напруги – максимально можлива швидкість зміни вихідної напруги в разі подачі на вхід ОП імпульсу прямокутної форми. Для найпоширеніших типів ОП значення знаходиться в діапазоні 0.1 – 10 В/мкс.

Експлуатаційні параметри ОП визначають допустимі режими роботи його вхідних і вихідних кіл, а також вимоги до напруги живлення.

У переважній більшості випадків ОП працює в сукупності з електричними кіл, що пов'язують його вихід з інвертуючим входом і створюючими таким чином негативний зворотний зв'язок.

Прикладом такої схеми є неінвертуючий підсилювач (рис. 5.1.). Значення резистора кола зворотного зв'язку в цій схемі вибирається набагато меншим вхідного опору ОП. Тому при розгляді роботи цієї схеми ми маємо право нехтувати вхідними струмами ОП.

Рис.5.1.

Напруга на інвертуючому вході таким чином пов'язана з вихідною напругою і вхідною напругою U _X

,

далі можна одержати:

.

Якщо знехтувати величиною 1/K , то можна одержати рівняння, що пов'язує вхідну напругу з вихідною :

,

де – коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача .

′З даної формули видно важливу першу властивість, притаманну всім схемам на ОП, охопленому негативним зворотним зв'язком: робота схеми визначається тільки параметрами кола зворотного зв'язку і не залежить від параметрів ОП.

Другу властивість схем з негативним зворотним зв′язком можна знайти, підставивши значення Uy у вираз для визначення U_x

, тобто

напруги на обох входах ОП рівні.

Використовуючи ці дві властивості, розберемо роботу інвертуючого підсилювача (рис.5.2.).

Рис.5.2.

З другої властивості схем із зворотнім зв′язком витікає, що напруга на інвертуючому вході рівна нулю, а це значить, що U_x і завжди мають протилежну полярність. По першому закону Кирхгофа (рис.5.4) одержуємо: . Це можна записати , якщо знехтувати значенням вхідного струму ОП. Тому

.

Звідси витікає рівняння інвертуючого підсилювача:

,

в якому – коефіцієнт підсилення інвертуючого підсилювача.

Графічно зв'язок між вхідними і вихідними напругами електронних 0злів описується передавальною характеристикою. На рис.5.3 представлені передавальні характеристики інвертуючого (ІП) і неінвертуючого (НП) підсилювачів, для випадків, коли .

Рис.5.3.

Максимум модуля значення вихідної напруги ОП визначається величиною напруги живлення. Це значення вихідної напруги називається напругою насичення. Слід сказати , що вказані вище дві властивості охопленого від′ємним зворотним зв′язком ОП існують лише тоді, коли модуль вихідної напруги ОП менший за модуль напруги насичення.