«Исследование типовых линейных преобразователей аналоговых сигналов на операционном усилителе»

Цель работы:

1. Изучение теоретического материала [1, с. 139-152, 194-203, 277-282; 2, с. 287-293, 299-314].

2. Исследование функционирования и определение основных параметров следующих устройств на базе операционного усилителя КР140УД608:

   1. неинвертирующего усилителя напряжения;

   2. повторителя напряжения;

   3. инвертирующего усилителя напряжения;

   4. инвертирующего сумматора;

   5. преобразователя напряжения в ток;

   6. преобразователя тока в напряжение.

6.1. Краткие теоретические сведения и описание экспериментов

Операционный усилитель (ОУ), выполненный в виде интегральной микросхемы, является базовым электронным компонентом низкочастотной аналоговой схемотехники. На основе ОУ разрабатываются линейные и нелинейные функциональные блоки обработки и формирования аналоговых сигналов, называемые также операционными схемами. В данной лабораторной работе исследуются типовые преобразователи на ОУ, являющиеся базовыми устройствами для построения линейных функциональных блоков.

Под «типовыми преобразователями», в первую очередь, понимают устройства, реализующие на выходе элементарные операции – умножение или деление входного сигнала на константу, называемую коэффициентом преобразования. Эта величина может быть положительной или отрицательной, размерной или безразмерной, в зависимости от выбора входной и выходной величин.

В табл.6.1 приведены сведения о типовых преобразователях, часть из которых исследуется в данной работе. В зависимости от выполняемой функции преобразователи и их коэффициенты преобразования имеют специфические названия. Следует иметь в виду, что в таблице 6.1 приведены характеристики идеальных устройств, характеризующихся линейностью во всем диапазоне изменения входных величин (от - до +), безынерционностью, а также граничными значениями входных и выходных сопротивлений (0 или ).

Таблица 6.1

НАЗВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ	ВХОДНАЯ ВЕЛИЧИНА, ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (Rвх)	ВЫХОДНАЯ ВЕЛИЧИНА, ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (Rвых)	УРАВНЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ	КОЭФФИЦИЕНТ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Усилитель напряжения	Напряже- ние, Rвх 	Напряже- ние, Rвых = 0		|KU| > 1 коэффициент усиления по напряжению (безразмерный)
Повторитель напряжения				|KU| = 1
Активный делитель напряжения				|KдU| >1 коэффициент деления напряжения (безразмерный)
Усилитель тока	Ток, Rвх = 0	Ток, Rвых  		|KI| > 1 коэффициент усиления по току (безразмерный)
Повторитель тока				|KI| = 1
Активный делитель тока				|KдI| > 1 коэффициент деления тока (безразмерный)
Преобразователь напряжения в ток («усилитель проводимости»)	Напряже- ние, Rвх  	Ток, Rвых  		предаточная проводимость, См
Преобразователь тока в напряжение («усилитель сопротивления»)	Ток, Rвх = 0	Напряже-ние, Rвых = 0		передаточное сопротивление, Ом

Примечание: коэффициенты преобразования могут быть как положительными, так и отрицательными. В первом случае к названию преобразователя добавляют определение «неинвертирующий», а во втором – «инвертирующий».

К типовым линейным преобразователям, кроме указанных в табл. 6.1, относят сумматор, вычитатель (дифференциальный усилитель), интегратор, дифференциатор, активные фильтры.

Ниже рассматриваются основы работы преобразователей, исследуемых в данной лабораторной работе. При анализе схем ОУ (рис. 6.1) полагается идеальным, т.е. принимаются следующие допущения:

1. выходное напряжение не ограничено;

2. коэффициент усиления стремится к бесконечности на всех частотах;

3. входное сопротивление стремится к бесконечности и входные токи ОУ равны нулю;

4. выходное сопротивление равно нулю.

Рис. 6.1. Напряжения на зажимах операционного усилителя

Следствием допущения 1 является так называемый принцип «виртуального короткого замыкания» (ВКЗ), значительно облегчающий анализ и понимание работы схем на ОУ. Суть его состоит в следующем. Уравнение ОУ в линейной области работы при условно-положительных направлениях, указанных на рис. 6.1, имеет вид

где - напряжение на выходе ОУ; - коэффициент усиления ОУ по напряжению; - напряжение на прямом входе; - напряжение на инвертирующем входе; - дифференциальное входное напряжение.

Из данного выражения следует, что

Выходное напряжение ограничено напряжением питания на уровне 10-20 В. Поскольку , то . Следовательно,

, (6.1)

т.е. потенциалы входов ОУ при работе в линейном режиме одинаковы. В электротехнике существует понятие ”закоротка”, т.е. проводник с нулевым сопротивлением (сверхпроводник). Если ее подключить между двумя узлами электрической цепи, то их потенциалы выравниваются, а через закоротку протекает ток.

Вход ОУ, согласно (6.1), ведёт себя как закоротка, т.е. выравнивает потенциалы. Однако, согласно допущению 2, ток между входами не протекает.

Таким образом, вход ОУ - это “виртуальное” (т.е. почти настоящее) короткое замыкание.

Следует ещё раз подчеркнуть, что принцип ВКЗ справедлив только в линейном режиме работы ОУ, который возможен при наличии ООС. В режиме насыщения, когда выходное напряжение не зависит от входного, принцип ВКЗ не применим.