5.3. Контрольные вопросы

1) Объясните назначение элементов схемы усилителя.

2) Причины возникновения нелинейных и частотных искажений.

3) Перечислите основные параметры усилителя.

Лабораторная работа 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться со структурой и параметрами операционных усилителей (ОУ); изучить схемы и параметры усилительных устройств на основе ОУ [1, с. 292 – 301; 7, с. 83 – 92; 8, с. 67 – 91].

6.1. Основные теоретические положения

Операционный усилитель – усилительное устройство универсального назначения, изготовленное по технологии интегральных микросхем, имеет два входа и один выход, обладает очень большим коэффициентом усиления k_U в диапазоне частот от нуля до нескольких мегагерц, большим входным R_вх и малым выходным R_вых сопротивлениями, позволяет при помощи введения обратных связей выполнять операции сложения, вычитания, интегрирования, детектирования и др.

Графическое изображение ОУ приведено на рис. 19, где обозначены прямой и инверсный входы, подключенные к источникам входных сигналовU_вх1 и U_вх2, выход, к которому присоединен резистор нагрузки R_н, и выводы для подключения источников питания +E и –E, имеющих одинаковые, но разнополярные напряжения. Напряжение на выходе ОУ синфазно напряжению U_вх1, на прямом входе, противофазно напряжению U_вх2 на инверсном входе и может изменяться в обеих полярностях относительно нуля:

. (12)

При изучении свойств ОУ целесообразно использовать понятие идеального операционного усилителя, который характеризуется:

– бесконечно большим входным сопротивлением ;

– нулевым выходным сопротивлением ;

– стремящимся к бесконечности коэффициентом усиления по напряжению .

Из указанных свойств идеального ОУ следует два важных вывода, на которых основывается анализ различных включений ОУ:

1) входные цепи идеального ОУ не потребляют ток от источника сигнала, т.е. I₁ = I₂ = 0;

2) напряжение между входами ОУ в любой схеме равно нулю, поскольку , где .

Реальные ОУ по своим параметрам лишь асимптотически приближаются к этим свойствам, обладая конечными значениями k_U , R_вх и R_вых.

Рассмотрим схему инвертирующего усилителя, выполненного на основе ОУ (рис. 20).

На схеме резистор R₂ образует цепь отрицательной обратной связи (ООС). Определим выходное напряжение усилителя, полагая для простоты ОУ идеальным.

Рис. 20. Инвертирующий усилитель Рис. 21. Неинвертирующий усилитель

Поскольку прямой вход ОУ подключен к общей шине, то потенциал на инверсном входе ОУ тоже должен быть нулевым при любых уровнях сигнала U_вх, поэтому:

I_вх=U_вх / R₁, а I_ос= – U_вых / R₂. (13)

По первому закону Кирхгофа I_вх = I_ос. В результате получим

U_вых= –U_вхR₂ / R₁, (14)

т. е. выходное напряжение равно инвертированному входному, усиленному в R₂ / R₁ раз. Следовательно, коэффициент усиления рассмотренной схемы k_U инв определяется только отношением значений внешних резисторов (оно выбирается в пределах от 10 до 100) и практически не зависит от k_U ОУ:

k_U инв = – R₂ / R₁. (15)

Рассмотрим включение ОУ по схеме неинвертирующего усилителя (рис. 21).

Для идеального ОУ U_вх1 = U_вх2 или U_вх = U_выхR₁ / (R₁ + R₂), следовательно, напряжение на выходе усилителя

U_вых= U_вх(1 + R₂ / R₁), (16)

тогда коэффициент усиления неинвертирующего усилителя k_{U неинв} = 1 + R₂ / R₁, также не зависит от параметров ОУ. Сравнивая k_Uнеинв и k_Uинв, можно записать:

. (17)

Одной из разновидностей включения ОУ является суммирующий усилитель (рис. 22).

Рис. 22. Электрическая схема сумматора трех сигналов

На вход сумматора от нескольких источников через сопротивления R₁, R₂ и R₃ поступают сигналы U_вх1, U_вх2, U_вх3. При наличии обратной связи (сопротивление R_ос) напряжение на выходе ОУ определяется в соответствии с выражением:

U_вых = – ((U_вх1 R_ос / R₁)+ (U_вх2 R_ос / R₂)+ (U_вх3 R_ос / R₃)), (18)

если R₁ = R₂ = R₃ = R, то

U_вых. = – (U_вх1 + U_вх2 + U_вх3)R_ос / R. (19)