7

Новокаховский приборостроительный техникум

Лаборатория № 607

Дисциплина: «Электронные приборы и микроэлектроника»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

“ИССЛЕДОВАНИЕ НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ”

Цель работы: - изучение принципа работы, основных параметров и характеристик операционного усилителя (ОУ);

- исследование ОУ в качестве неинверирующего ОУ.

Краткие теоретические сведения

Исследуемый усилитель называется операционным потому, что он может использоваться для выполнения различных математических операций над сигналами. Операционным часто называют усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления, охваченный цепью отрицательной обратной связи ООС, определяющей основные качественные показатели и характер выполняемых усилителем операций.

Современные ОУ выполняется на базе интегральной микросхемы операционного усилителя ИМС ОУ, к выводам которой, кроме цепи ООС, присоединяются источники питания, входных сигналов, сопротивление нагрузки, цепи коррекции частотных характеристик ОУ в интегральном исполнении и другие цепи.

Операционные усилители (ОУ) в интегральном исполнении в настоящее время составляют основу аналоговых интегральных схем.

Интегральные операционные усилители обычно строят по схеме усиления с непосредственной связью между отдельными каскадами с дифференциальным входом и биполярным по отношению к амплитуде усиливаемого сигнала выходом. Это обеспечивает нулевые потенциалы на входе и выходе ОУ при отсутствии управляющих сигналов на его входе. Поэтому такие усилители легко соединять последовательно при непосредственной связи между отдельными каскадами, а также достаточно просто охватывать любыми цепями обратной связи.

ОУ характеризуются большим входным и низким выходным сопротивлениями (соответственно 7…50 кОм и 300 Ом), а также высоким коэффициентом усиления (Кu = 1300…12000). Кроме того, к основным свойствам ОУ относятся очень широкая полоса частот, начиная с f = 0; постоянство амплитуды усиливаемого сигнала во всем диапазоне частот; отсутствие статических, шумовых и дрейфовых ошибок во времени и в диапазоне температур.

ОУ - это усилитель постоянного тока УПТ, его амплитудно-частотная характеристика не имеет завала в области низких частот, поскольку ОУ не содержит разделительных конденсаторов. Для того, чтобы в отсутствие входных сигналов потенциал выхода можно было привести к нулю (к потенциалу земли), питание ОУ делают двухполярным и обычно симметричным (например, +_ 12,6 В).

На рис.1 показано условное обозначение ОУ с одним выходом и двумя входами: прямым и инверсным. Инверсный вход 2 обозначают знаком инверсии (кружком) или помечают знаком "-". Прямой вход не имеет знака инверсии или его помечают знаком "+". В общем случае на входные выводы ОУ 1 и 2 поступают напряжения общего вида. Из них выделяют синфазный U_сф = (Uвх₁ + Uвх₂)/2 и дифференциальный U_диф = (U_вх1 - U_вх2) сигналы (рис.2).

+Еп

U

Uвх1

Uдиф

Uвх1

-Еп Uвых Uвх2

Uвх2

Uсф t

Рисунок 1 Рисунок 2

Принципиальная схема типичного ОУ показана на рис.3. Первый дифференцирующий усилительный каскад собран на транзисторах Т₁ и Т₂ с источником стабильного тока I_o на транзисторе Т₃ и цепочкой температурной стабилизации на транзисторе Т₅. Второй каскад на транзисторах Т₄ и Т₅ также выполнен по схеме дифференциального усилителя с симметричным входом и несимметричным выходом.

Рисунок 3

Выходной каскад является сложным эмиттерным повторителем на транзисторах Т₇, Т₉ со стабилиза­тором тока на транзисторе Т₈. Дело в том, что отсутствие разделительных конденсаторов в схеме может привести к появлению постоянной составляющей на выходе усилителя. Чтобы этого не произошло, используется усилитель амплитуды сигнала или транслятор уровня (транзисторы Т₇ и Т₈).

Рассматриваемый усилитель содержит два входа и один выход. При подаче сигнала на один из входов (вывод 9 — инвертирующий вход «—») выходной сигнал, снимаемый с вывода 5, сдвинут по фазе отно­сительно входного сигнала на 180° (как в усилительном каскаде на транзисторе по схеме ОЭ). Прохождение сигнала от другого, неинвертирующего входа « + » (вывод 10) к. выходу усилителя не сопровождается сдвигом его фазы (или полярности) входного сигнала. К выводу 5 подключается внешняя нагрузка и цепи обратной связи, а к выводам 1 и 7 — источник питания. Выводы 2, 3 и 12 предназначены для подключения корректирующих цепей.

Питание ОУ осуществляется от двух соединенных последовательно источников с одинаковыми постоянными напряжениями.

В зависимости от того, на какие входы ОУ воздействуют входные сигналы, различают три схемы включения ОУ в интегральном исполнении: инвертирующие, неинвертирующие и дифференциальные.

В схеме неинвертирующего ОУ (см. рис. 4) входной сигнал подается на неинвертирующий вход ИМС ОУ, а на его инвертирующий вход с помощью делителя выходного напряжения (R₁, R₂) подается напряжение ООС U_оос = U_вых R₂ / (R₁ + Ra). В схеме действует последовательная ООС по напряжению, глубина которой определяется формулой:

β_оос = R₂ / (R₁+ R₂),

а дифференциальное напряжение, приложенное к ИМС ОУ, будет равно:

U_диф = U_вх – U_оос.

Так как коэффициент усиления напряжения ИМС ОУ K_u ≈ ∞, то U_диф ≈ 0 и

U_вх ≈ U_оос = U_вых R₂ / (R₁ + R₂).

Тогда коэффициент усиления напряжения схемой неинвертирующего ОУ определится по формуле:

K_u = (R₁ + R₂) / R₂ = 1 + R₁ / R₂ = 1 / β_оос.

Рисунок 4