3. Схемы на операционных усилителях

В этом разделе изучаются наиболее распространенные схемы на операционных усилителях (ОУ), которые могут быть применены для проектирования самого широкого спектра устройств современной электроники; особое внимание следует обратить на практическое применение представленных схем, а также на их особенности и специфику их использования в зависимости от особенностей входного сигнала (частоты, амплитуды, и т.д.).

Лабораторно-практическая работа №17 Усилительные схемы

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Изучить особенности ОУ и их основные параметры.

2. Исследовать усилительные схемы на ОУ; построить их ЛАЧХ.

3. Сделать выводы об особенностях применения исследованных схем.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Операционный усилитель (ОУ) это аналоговая микросхема, предназначенная для усиления и преобразования аналоговых сигналов. Основными особенностями ОУ являются: бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению K_U (от 10⁵ до 10⁶), бесконечно малое входное (порядка 1 Ом) и бесконечно большое выходное сопротивление (порядка 1 МОм).

Болшая величина K_U позволяет вводить в схему на ОУ глубокую ООС, наличие которой позволяет установить для данной схемы коэффициент усиления K_ООС, не зависящий от значения K_U и поэтому обладающий высокой стабильностью. У практических схем на ОУ эта величина задается коэффициентом ООС β согласно формуле:

Болшое входное сопротивление позволяет считать ОУ устройством, работающим в режиме холостого хода, так что входные токи ОУ можно считать равными нулю.

Малое выходное сопротивление позволяет считать ОУ практически источником напряжения, то есть, все напряжение на выходе ОУ прикладывается к нагрузке при любом (физически допустимом) токе, протекающем через ОУ.

ОУ имеет два входа: прямой и инверсный. Напряжение на прямом входе всегда совпадает по фазе с выходным напряжением, а напряжение на инверсном всегда противоположно по фазе выходному. Для работы ОУ также требуется двуполярный источник питания.

Неинвертирующая схема на ОУ показана на рис. 17.1. В ней делитель напряжения R₁, R₂ задает ООС, определяющую ее величину K_U. Коэффициент усиления схемы рассчитывается по формуле:

Неинвертирующая схема неприменима для операций и используется, в основном, в усилительных схемах.

Инвертирующая схема на ОУ показана на рис. 17.2. ООС по току в ней задается резисторами R₁ и R₂, которая определят ее величину K_U, определяемую по формуле:

Неинвертирующая схема, кроме усилительной, часто применяется для операций с аналоговым сигналом в качетве масштабирующего усилителя, коэффициент усиления которого может быть больше или меньше единицы. Такие усилители применяются, например, в измерительных устройствах, для масштабирования измеренного напряжения.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать неинвертирующую схему (рис. 17.1) и измерить ее ЛАЧХ во всем звуковом диапазоне для различных величин K_U, равных 10; 25 и 50; результаты измерений занести в табл. 17.1.

2. Собрать инвертирующую схему (рис. 17.2) и измерить ее ЛАЧХ во всем звуковом диапазоне для различных величин K_U, равных 10; 25 и 50; результаты измерений занести в табл. 17.2.

3. Построить ЛАЧХ для обеих схем в логарифмическом масштабе.

Рис. 17.1 Схема для исследования неинвертирующего усилителя

Рис. 17.2 Схема для исследования инвертирующего усилителя

Напряжение входного сигнала рекомендуется ставить равным 0,1 В.

Табл. 17.1 Данные для построения ЛАЧХ неинвертирующей схемы
при KU = 5 (R2 = 40 кОм)
f, гц	30	50	300	103	2∙103	5∙103	20∙103
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ
при KU = 25 (R2 = 240 кОм)
f, гц	30	50	300	103	2∙103	5∙103	20∙103
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ
при KU = 50 (R2 = 490 кОм)
f, гц	30	50	300	103	2∙103	5∙103	20∙103
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ

Табл. 17.2 Данные для построения ЛАЧХ инвертирующей схемы
при KU = 5 (R2 = 50 кОм)
f, гц	30	50	300	103	2∙103	5∙103	20∙103
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ
при KU = 25 (R2 = 250 кОм)
f, гц	30	50	300	103	2∙103	5∙103	20∙103
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ
при KU = 50 (R2 = 500 кОм)
f, гц	30	50	300	103	2∙103	5∙103	20∙103
UВХ, B
UВЫХ, B
К, дБ

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Исследованные усилительные схемы.

2. ЛАЧХ для всех величин K_U неинвертирующей схемы.

3. ЛАЧХ для всех величин K_U инвертирующей схемы.

4. Выводы по работе.

ВЫВОДЫ

1. Уникальные параметры ОУ позволяют устанавливать в усилителях на их основе значения коэффициентов усиления при помощи параметра β в широком частотном диапазоне.

2. С ростом коэффициента усиления K_U ширина частотного диапазона, в которой поддерживается данная величина K_U несколько сужается, однако на практике в усилительных схемах редко устанавливаются величины K_U, большие 10 – 20.