Передаточная характеристика оу и коэффициент усиления.

Важная характеристика операционного усилителя – передаточная характеристика, зависимость выходного напряжения от напряжений на входах (или напряжения между входами).

 

 Заметим, что на обеих передаточных характеристиках линейные участки несимметричны по входному напряжению.

На рис. 9.4 U_вх1,мин = -37мкВ и U_{вх2,макс} =74мкВ. Середина линейного участка U_вх,ср,= 37мкВ.

На рис. 9.5 U_вх1,мин = -75мкВ и  U_{вх2,макс} =36мкВ. Середина линейного участка U_вх,ср,= -39мкВ.

Асимметрия вызвана индивидуальными особенностями ОУ, которое называется напряжением смещения ОУ. Он компенсируется (при необходимости) включением дополнительных внешних элементов.Источник сигнала можно включить между входами ОУ как в схеме на рис. 9.7. , т.е. изменять напряжение между входами, то получим   передаточную характеристику аналогичную на рис.4.11. Резисторы R1 и R2 включены для задания начального потенциала входов при отсутствии сигнала

Входное и выходное сопротивления оу.

Эти параметры ОУ определяются экспериментально. Входное сопротивление R_вх усилителя определяется в эксперименте, в котором напряжение на вход усилителя от источника синусоидального источника подается через дополнительный резистор. Сопротивление этого резистора увеличивают до тех пор, пока амплитуда напряжения на выходе уменьшится в два раза. В этом случае сопротивление резистора равно входному сопротивлению.Выходное сопротивление R_вых ОУ определяется в эксперименте, в котором последовательно с нагрузкой включается дополнительный резистор. При увеличении сопротивления этого резистора напряжение на нагрузке уменьшается. Оно уменьшится в два раза, когда сопротивление резистора равно выходному сопротивлению ОУДля ОУ массового применения

R_вх=10⁴…10⁷ Ом,

R_вых=10²…10³ Ом.

         Частотные характеристики ОУ.Так как ОУ построен как усилитель постоянного тока, то его частотные свойства определяется инерционными свойствами транзисторов и паразитными емкостными связями. Поэтому он характеризуется только верхней граничной частотой F_гр.

         Идеальный ОУ.

         Для анализа устройств, содержащих ОУ, введено понятие идеального операционного усилителя:

U_{вых,макс} =E_ип ,     K_U=∞,        R_вх=∞,        R_вых=0,       f_гр=∞

 Для идеального ОУ при этом следует:

- входное напряжение U_вх1-U_вх2=0,

- входные токи I_вх1=I_вх2=0.

1. Неинвертирующий усилитель напряжения с оу. Схема. Назначение элементов. Коэффициент усиления. Переходная характеристика. Рабочий участок. Амплитудная характеристика.

 

 Рис.9.11. Схема неинвертирующего усилителя напряжения с ОУ.

 Свойства усилителя можно описать следующим образом.Так как U_вх1-U_вх2≈0 (т.е.  U_вх1≈U_вх2 ) и входной ток инвертирующего входа ОУ I_вх2=0, то резисторы R₁ и R₂ имеют один ток и их можно считать соединенными последовательно. Поэтому U_вх2= U_вых R₁/( R₁ +R₂) и  U_вх1= U_вых R₁/( R₁ +R₂). Отсюда коэффициент усиления по напряжению  равен

 K_U1= U_вых / U_вх1 = ( R₁ +R₂) /R₁= 1  +R₂ /R₁

 Здесь напряжение на резисторе R₁ равно части выходного напряжения U_вых. Это напряжение подается на инвертирующий вход U_вх2 одновременно с напряжением U_вх1 и уменьшает выходное напряжение. Таким способом формируется отрицательная обратная связь (ООС), при которой часть выходного напряжение (напряжение обратной связи) подается на вход, уменьшая выходное напряжение. В данном случае имеет место последовательная  (т.к. входное напряжение ОУ составляется из двух напряжений) отрицательная (т.к. напряжения сигнала и обратной связи вычитаются) обратная связь по напряжению (т.к. напряжение обратной связи пропорционально выходному напряжению).         Заметим, что в выражение для коэффициента усиления не входит коэффициент усиления операционного усилителя, его входное и выходное сопротивления. Это допустимо в той мере, в какой входное сопротивление ОУ больше внутреннего сопротивления источника сигнала и выходное сопротивление - меньше сопротивления нагрузки. В правильно сконструированных устройствах это выполняется в достаточной для инженерной практики точности. Из опыта следует

K_U1= U_вых / U_вх =318,1мкВ/ 106,1мкВ =3По расчету должно быть K_U1=   1+ R₂ /R₁=3.

Для определения знака обратимся к осциллограммам входного (синяя линия) и выходного (красная) напряжений:

Рис.9.16. demo9_6. Осциллограммы к опыту на рис. 9.15. Выводы- коэффициент усиления по напряжению Ku рассмотренных усилителей практически не зависит от коэффициента усиления ОУ, если последний достаточно большой, но определяется сопротивлениями резисторов обратной связи R1 и R2. Получается, что такие важные параметры как точность и стабильность Ku определяются точностью и стабильностью значений этих резисторов. Этим достигается возможность использования ОУ с нестабильным значением коэффициента усиления (дешевое устройство).

1. Инвертирующий усилитель напряжения с ОУ. Схема. Назначение элементов. Коэффициент усиления. Переходная характеристика. Рабочий участок. Амплитудная характеристика.

 

Здесь коэффициент усиления определяется следующим образом.

Так как U_вх2=0,  I_вх1=0,  U_вх1-U_вх2≈0 и U_вх1=0 из схемы получаем

   I₂= U_вых /R₂ = -I₁; _. I₁ = U_вх / R₁.

 Отсюда следует

K_U1= U_вых / U_вх =  - R₂ /R₁.

В следующих демонстрациях показаны свойства рассмотренных усилителей напряжения (demo9_5, demo9_6).

Из опыта следует

K_U1= U_вых / U_вх =212,1мкВ/ 106,1мкВ =2

Должно быть K_U1=   - R₂ /R₁=-2.

Для определения знака обратимся к осциллограммам входного (синяя линия) и выходного (красная) напряжений:

Рис.9.14. demo9_5. Осциллограммы к опыту на рис. 9.13.

  Выводы- коэффициент усиления по напряжению Ku рассмотренных усилителей практически не зависит от коэффициента усиления ОУ, если последний достаточно большой, но определяется сопротивлениями резисторов обратной связи R1 и R2. Получается, что такие важные параметры как точность и стабильность Ku определяются точностью и стабильностью значений этих резисторов. Этим достигается возможность использования ОУ с нестабильным значением коэффициента усиления (дешевое устройство).

1. Суммирующее устройство на ОУ. Схема, выходное напряжение.

Суммирующее устройство формирует выходной сигнал, значение которого равно сумме значений входных сигналов. Схема сумматора приведена на рис. 10.1

Если ОУ можно считать идеальным и его режим остается линейным при задаваемых u_вх1, u_вх2, u_вх3, то 

u_{вх,неинв} - u_вх,инв =0  

и

i₁^`+ i₁^``+ i₁^```= - i₂.

Отсюда следует

u_вх1/R₁^`+ u_вх2/R₁^``+ u_вх3/R₁^````= - u_вых/R₂

и

R₂ (u_вх1 /R₁^`+ u_вх2 /R₁^``+ u_вх3 /R₁^````)= - u_вых

или

u_вых = - R₂ (u_вх1 /R₁^`+ u_вх2 /R₁^``+ u_вх3 /R₁^````) .

 

1. Дифференцирующее устройство на ОУ. Схема, требования к параметрам элементов, пример для импульсного сигнала.