Лабораторная работа №2. Исследование интегрального операционного усилителя

Цель работы: изучение основных схем включения, характеристик и параметров операционного усилителя (ОУ).

Задание:

1) изучить основные параметры ОУ без обратной связи (ОС);

2) исследовать основные схемы включения ОУ с ОС.

1. Краткие теоретические сведения

Интегральные ОУ используются в настоящее время в качестве основной элементной базы многих устройств автоматики и измеритель­ной техники. Выполняются ОУ, как правило, в виде монолитных интег­ральных микросхем и по своим массогабаритным показателям и цене не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных схем на их осно­ве оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Вследствие этого ОУ вытесняют транзисторы как элементную базу во многих областях линейной схемотехники.

По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако в то время как свойства и пара­метры обычного усилителя полностью определяются его схемой, свойс­тва и параметры схем с применением ОУ в основном зависят от пара­метров цепи ОС.

Типовое обозначение ОУ приведено на рис 1.1.

Рис. 1.1

ОУ имеет дифферен­циальный вход, выход и две клеммы для подачи двухполярного питаю­щего напряжения. В ряде случаев у ОУ предусмотрены выводы, пос­редством которых осуществляется частотная коррекция, балансировка нуля и т. д. ОУ имеет весьма большой коэффициент усиления K дифференциаль­ного входного напряжения. Высокое входное и низкое выходное сопро­тивление. Использование ОУ позволяет довольно просто проектировать усилители с линейной характеристикой. Однако реальные операционные усилители не являются идеальными. Поэтому при их использовании необходимо учитывать ряд особенностей. Например, на низких часто­тах ОУ имеет весьма большой коэффициент усиления и является почти идеальным усилителем. Однако с увеличением частоты амплитудно-час­тотная характеристика (АЧХ) ОУ падает. Кроме того, при низких час­тотах следует обращать внимание на проблемы, связанные со смещени­ем, скоростью нарастания выходного напряжения и т.д.

Инвертирующий усилитель

рис. 1.2

На рис 1.2. приведена схема инвертирующего усилителя на базе ОУ. Отрицательная, обратная связь (ООС), используемая в этой схеме, обеспечивает подачу части выходного сигнала U_вых обратно на инвертирующий вход ОУ. Вследствие этого эффективное значение коэффи­циента усиления по напряжению этой схемы

(1)

существенно меньше коэффициента усиления ОУ без ОС. Напряжение U_вх.диф действующее между входами 1 и 2 ОУ, практически равно ну­лю, поэтому потенциал, суммирующей точки ОУ, соответствует потен­циалу земли. Поэтому ток I, проходящий через резистор R1, создает падение напряжения

. (2)

Этот же ток, проходя через R_о.с, вызывает падение напряжения

. (3)

Поэтому

. (4)

Знак «минус» означает, что входной и выходной сигналы находятся в противофазе. Таким образом, выбирая соотношение сопротивлений R_o.c и R1, можно обеспечить требуемый коэффициент усиления инвер­тирующего усилителя. Для минимизации напряжения сдвига ОУ неинвер­тирующий вход соединен с землей через резистор R2, сопротивление которого определяется по формуле

. (5)

Необходимо отметить, что при реализации инвертирующего усили­теля входное сопротивление схемы становится равным сопротивлению резистора R1, что является недостатком данной схемы.