Исследование свойств аналоговых устройств на операционном усилителе

Цель работы — изучение характеристик операционного усилителя (ОУ) и его свойств, причин погрешностей выполнения операций, принципов построения различных функциональных узлов на базе ОУ, исследование работы инвертирующего, неинвертирующего сумматоров и интегратора.

1. Краткие теоретические сведения

Функциональное назначение и особенности ОУ. Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления, достигающим несколько сотен тысяч, он имеет инвертирующий и неинвертирующий входы и один выход. Благодаря достижениям в области микроэлектроники выпускаются в настоящее время большое разнообразие типов ОУ в интегральном исполнении. Они применяются в качестве многофункциональных элементов в усилительной технике, устройствах формирования аналоговых и импульсных сигналов, в стабилизаторах напряжения, для построения активных фильтров, в системах автоматического управления и в другой аппаратуре различного назначения. Одной из основных функций ОУ является также выполнение различных операций с аналоговыми сигналами - суммирование, инвертирование, интегрирование, дифференцирование, логарифмирование, решение системы дифференциальных уравнений с переключательными функциями, преобразование тока в напряжение и других.

Условное обозначение ОУ в электронных схемах приведено на рис. 1.1.

Здесь К_U0 = U_вых/U_вх - коэффициент усиления по напряжению для постоянных или медленно изменяющихся сигналов, U_{вх и} - инвертирующий вход, U_{вх н} - неинвертирующий вход, в соответствии с которыми формируется полярность напряжения на выходе U_вых .

Напряжение питания ОУ, входной и выходной сигналы обычно двуполярные, что отображают его передаточные характеристики по инвертирующему и неинвертирующему входам U_вых= F(U_Bx), приведенные на рис. 1.2. При малых значениях входных синалов эти характеристики имеют линейный характер, с ростом U_Bx происходит ограничение выходного напряжения на уровне U_вых < Е_к и возникают нелинейные искажения.

Данное обстоятельство следует учитывать при определении максимально допустимой амплитуды выходного сигнала. Кроме этого, при U_Bx = 0 на выходе ОУ может присутствовать небольшое напряжение, которое обусловлено главным образом разбалансом мостовой схемы входного дифференциального каскада. Устранить разбаланс можно путем подачи на инвертирующий вход ОУ через резистор определенного напряжения смещения U_{cм о}. Однако это напряжение может изменяться (дрейфовать) при воздействии дестабилизирующих факторов, таких как изменение температуры окружающей среды (температурный дрейф), колебание напряжения источника питания и старение элементов схемы. Обычно при обработке сигналов ОУ охвачен цепью ООС, которая стабилизирует режим постоянного тока и существенно снижает напряжение дрейфа нулевого уровня. В результате его значение становится пренебрежимо малым на выходе усилителя по сравнению с полезным сигналом, что позволяет реализовать заданные функции с необходимой точностью.