ЛР_7

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторной работе №7

по дисциплине «Аналоговая схемотехника»

Тема: ПРОСТЕЙШИЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НА ОУ

Студенты гр. 8204		Овсянников А. И.
		Дичковский Д. Ю.
Преподаватель		Шаповалов С. В.

Санкт-Петербург

2021

Цель работы.

Изучить свойства и приобрести навыки сборки схем инвертирующего и неинвертирующего усилительных каскадов на ОУ.

Основные теоретические положения.

Инвертирующий усилитель (рисунок 1, а) изменяет знак выходного напряжения U_ВЫХ по отношению к входному напряжению UВХ на противоположный.

Рисунок 1 - Усилители на ОУ и их геометрическая интерпретация: а – инвертирующий; 6 – неинвертирующий

Коэффициент усиления k_U инвертирующего усилителя рассчитывается с помощью простого выражения

Данное выражение может быть легко выведено с использованием простейших соображений, также известных как золотые правила операционного усилителя. В частности, если учесть, что во вход ОУ ток не течет, а напряжения на его входах в усилительном режиме равны, то напряжение на инвертирующем входе ОУ на схеме рисунок 1, а, оказывается равным нулю. Для данной схемы про инвертирующий вход ОУ еще говорят, что он виртуально заземлен. При этом через резистор R₁ будет протекать ток I = U_ВХ / R₁. При U_ВХ > 0 ток будет вытекать из источника входного сигнала. Весь этот ток протекает через резистор R₂, создавая на нем падение напряжения величиной I*R₂ = U_ВХ*R₂/R₁. Так как вывод резистора, подключенный к инвертирующему входу ОУ, виртуально заземлен, то выходное напряжение будет численно равно U_ВХ*R₂/R₁, а знак напряжения на выходе схемы при положительном входном напряжении будет отрицательным, и наоборот. Входное сопротивление инвертирующего усилителя по той же причине оказывается численно равно R₁.

Неинвертирующий усилитель на ОУ (рисунок 1, б) сохраняет на выходе знак входного напряжения и его коэффициент усиления рассчитывается по следующей формуле:

Вывод этой формулы совершенно аналогичен формуле для инвертирующего усилительного каскада. С учетом золотого правила ОУ напряжение на инвертирующем входе оказывается равным напряжению U_ВХ, действующему на неинвертирующем входе; через резистор R₁ протекает ток I = U_ВХ / R₁. Этот ток создает на резисторе R₂ падение напряжения величиной I*R₂ = U_ВХ*R₂/R₁. По правилу Кирхгоффа выходное напряжение каскада относительно земли равно сумме падений напряжений на резисторах R₁ и R₂ и составляет, соответственно, U_ВХ + U_ВХ*R₂/ R1 = U_ВХ*(1 + R₂/ R₁).

Входное сопротивление неинвертирующего усилительного каскада весьма велико и, в случае рассмотрения идеального ОУ, бесконечно.

Из (2) вытекает, что k_U = 1 при условии (R₂/R₁) = 0. Данное условие легко выполнить, если закоротить выход ОУ с его инвертирующим входом и (или) удалить из схемы R₁. Такая схема называется повторителем, он обладает малым, в случае идеального ОУ – нулевым выходным сопротивлением и сохраняет при этом высочайшее входное сопротивление. Данное свойство повторителя широко используется на практике для согласования высокого выходного сопротивления некоторых источников сигнала с низким входным сопротивлением ряда усилителей.

Рисунок 2 – Обобщённая схема простого усилителя на ОУ

Экспериментальные результаты.

Вариант 5. R₁ = 47 кОм, R₂ = 220 кОм

Таблица 1

ИНВЕРТИРУЮЩАЯ СХЕМА
Uвх	-8,4	-2,2	-1,8	-1,6	-1,2	-1	-0,8	-0,4	0,2	1,4	1,6	2,4	8,4
Uвых	9,2	9	7,2	7	4,8	4,2	2,8	1,2	-1,6	-7,2	-8	-10,2	-10,2
Kинв/ТЕОР	-4,68
Kинв/ЭКСП		-4,09	-4	-4,38	-4	-4,2	-3,5		-8	-5,14	-5
смещение 0.405 В
Uвх	-8,4	-1,4	-1	-0,6	-0,2	0,2	0,4	0,6	1,2	2	2,6	3	8,4
Uвых	8,2	8,2	6,4	3,8	2,6	0,8	-0,4	-1,4	-4	-7,4	-9,8	-10,2	-10,2
Kинв/ТЕОР	-4,68
Kинв/ЭКСП			-6,4	-6,33	-13	4		-2,33	-3,33	-3,7	-3,76
смещение -0.412 В
Uвх	-8,4	-2,8	-2,4	-2,2	-1,4	-1	-0,6	0,3	0,6	1	1,6	2	8,4
Uвых	9,2	9,2	8,6	7	3,4	1,8	0	-2,8	-5,2	-7,4	-9,8	-10,2	-10,2
Kинв/ТЕОР	-4,68
Kинв/ЭКСП			-3,58	-3,18	-2,42	-1,8		-9,33	-8,66	-7,4	-6,13

Таблица 2

НЕИНВЕРТИРУЮЩАЯ СХЕМА
Uвх	-8	-2	-1,4	-1	-0,6	0,2	0,8	1,6	1,8	8,4
Uвых	-10,2	-10	-7,2	-5	-3	0,8	4	8,4	9,2	9,2
Kпр/ТЕОР	5,68
Kпр/ЭКСП		5	5,14	5	5	4	5	5,25
смещение 0.405 В
Uвх	-8	-1,6	-1,2	-0,4	0	0,4	1,2	2	2,6	8,4
Uвых	-10,2	-10,2	-7,6	-4	-1,4	0,6	4,4	9	9,4	9,4
Kпр/ТЕОР	5,68
Kпр/ЭКСП			6,33	10		1,5	3,66	4,5
смещение -0.412 В
Uвх	-8	-2,2	-1,8	-1,2	-0,6	-0,2	0,4	0,8	1,4	8,4
Uвых	-10,2	-9	-6,4	-3,4	-0,6	1,8	5,2	7,4	9,4	9,4
Kпр/ТЕОР	5,68
Kпр/ЭКСП		4,09	3,55	2,83		-9	13	9,25

Таблица 3

f1, Гц	1000	2500	5000	10000	25000	50000	100000	250000	500000	1000000	2000000	4000000
Kусил	4,82	4,66	4,6	4,63	4,67	5,15	6,04	9,04	4	2	1	0,52

Обработка результатов эксперимента.

1. Построить передаточную характеристику.

Рисунок 1 - Передаточная характеристика инвертирующего усилителя

Рисунок 2 - Передаточная характеристика неинвертирующего усилителя

2. Рассчитать коэффициенты усиления.

а) для неинвертирующего

Теоретическое значение:

Экспериментальное:

б) для инвертирующего

Теоретическое значение:

Экспериментальное:

3. Построить частотную зависимость коэффициента усиления.

Рисунок 3 - Частотная зависимость коэффициента усиления в полулогарифмическом масштабе

Выводы: В ходе данной лабораторной работы были изучены схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителя. Были определены коэффициенты усиления а так же построены передаточные характеристики и АЧХ. Замечено, что АЧХ на выходе операционного усилителя достигает максимума на частоте примерно равной 250 кГц.

Рассчитанные теоретические и экспериментальные коэффициенты усиления для инвертирующего усилителя отличаются на 2.3 %, что говорит о достаточно большом соответствии реального усилителя теоретическим требованиям. Для неинвертирующего усилителя рассчитанные коэффициенты имеют разницу в 16.6 %, что связано с неточностью в снятии экспериментальных данных.