Цель работы: экспериментальное исследование электрических параметров и характеристик аналоговых схем на операционном усилителе: неинвертирующего и инвертирующего усилителей, сумматора и активных фильтров.
Основные понятия
В аналоговых схемах используются режимы работы операционного усилителя (ОУ) в пределах линейного участка его передаточной характеристики. В этих схемах ОУ, коэффициент усиления которого весьма велик, охватывается глубокой отрицательной обратной связью. Поэтому величины их выходных параметров не зависят от значений электрических параметров ОУ, а зависят от значений параметров других элементов схемы.
Анализ работы аналоговых схем с применением ОУ целесообразно проводить на основе представления об идеальном ОУ, который характеризуется бесконечно большими значениями коэффициента усиления и входного сопротивления, а также нулевым выходным сопротивлением. Также считается, что ОУ сбалансирован.
Рис.1.
В инвертирующем усилителе, схема которого приведена на рис.1, входное напряжение через резистор R подается на инвертирующий вход ОУ, а отрицательная обратная связь включает в себя резистор Rос, неинвертирующий вход заземлен. Вывод соотношения для расчета коэффициента усиления этого усилителя базируется на первом законе Кирхгофа, записанном для узла «а» на входе ОУ
iвх = iос + iоу. (1)
При бесконечной величине входного сопротивления оу величиной тока iоуна его входе можно пренебречь. Тогда с учетом закона Ома уравнение (1) можно переписать в виде
=
,
(2)
где uо - напряжение на дифференциальном входе ОУ, связанное с напряжением на выходе uвых через коэффициент усиления ОУ
uо
=
.
Вследствие допущения о бесконечно большом коэффициенте усиления ОУ (Kuоу → ∞) величиной напряжения uов уравнении (2) можно пренебречь. После этого соотношение для коэффициента усиления инвертирующего усилителя может быть записано как
Kuu
=
= -
.
(3)
Как видно, коэффициент усиления зависит только от пассивной части схемы рис.1. Знак «минус» в соотношении (3) означает наличие инверсии сигнала при его усилении.
Рис.2.
В неинвертирующем усилителе, схема которого приведена на рис.2, напряжение входного сигнала uвх подается на неинвертирующий вход ОУ, а напряжение обратной связи подается на инвертирующий вход ОУ через делительную цепочку, составленную из резисторов Rос и R. Напряжение, подаваемое на инвертирующий вход
uос
= uвых
.
(4)
Как было показано выше, напряжение uомежду входами ОУ практически равно нулю, т.е. величины входного напряжения и напряженияuосможно считать одинаковыми. Поэтому соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя можно представить в виде
Kuн
=
= 1 +
.
(5)
На рис.3 представлена передаточная характеристика неинвертирующего усилителя, которая отличается от аналогичной характеристики ОУ (пунктир) существенно меньшим наклоном к оси uвхна участке, соответствующем линейному режиму. Это является результатом введения отрицательной обратной связи, за счет чего обеспечивается расширение области значений входного напряжения, в которой усиление сигнала происходит без искажений. Тангенс угла наклона передаточной характеристики неинвертирующего усилителя при его работе в линейном режиме определяется соотношением (5).
Рис.3.
Аналогичным образом отрицательная обратная связь влияет и на передаточную характеристику инвертирующего усилителя. Однако для него величина тангенса угла наклона передаточной характеристики, определяемая соотношением (3), будет отрицательной.
Сумматором осуществляется суммирование входных сигналов, а инвертирующим сумматором, схема которого приведена на рис.4, к тому же изменяется полярность суммарного напряжения. Как видно, его схема выполнена по типу схемы инвертирующего усилителя, но ее входная часть представляет собой n параллельных ветвей, каждая из которых содержит резистор Ri. i = 1, 2 …n. n – число сигналов, подлежащих суммированию.
Рис.4
Соотношение, определяющее связь выходного напряжения с входным, получается на основе тех же посылок, что и при рассмотрении инвертирующего усилителя. Следует только учитывать, что к узлу на входе ОУ подходит не один ток, а n- токов. Следовательно
iос
=
.
(6)