Лабораторные работы Радиоэлектроника / РЭ_07

Лабораторная работа 7

Операционный усилитель

Цель работы

Ознакомление с различными схемами включения интегральной микросхемы операционного усилителя (ОУ).

Теоретические сведения

Операционным усилителем принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом с высоким коэффициентом усиления, а также большим входным и малым выходным сопротивлениями. Он почти всегда используется с внешней отрицательной обратной связью, определяющей его результирующие характеристики.

Операционные усилители выпускаются в виде полупроводниковых интегральных микросхем и применяются не только для выполнения математических операций, благодаря чему они получили свое название. Все чаще они используются в радиоэлектронных устройствах различного назначения. Этому способствует их низкая стоимость, близкая к стоимости отдельных транзисторов.

С труктурная схема операционного усилителя приведена на рис. 1. Как видно из схемы, первый каскад, а иногда и второй являются дифференциальными усилителями. Поэтому у операционного усилителя имеются два входа: инвертирующий (обозначен знаком "") и неинвертирующий (обозначен знаком "+").

Дифференциальным усилителем называется устройство, усиливающее разность двух напряжений. Выходное напряжение реального усилителя:

, (1)

где K_р – коэффициент усиления разностного сигнала,

K_с – коэффициент передачи синфазного сигнала.

В еличина K_ос.сф = K_р/K_с называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала.

На рис. 2 показано обычно применяемое условное графическое обозначение операционного усилителя.

Идеальный операционный усилитель

При анализе схем устройств, в которые входит операционный усилитель, можно получить значительные упрощения, если использовать представление об идеальном операционном усилителе. Идеальным называется операционный усилитель с входным сопротивлением для разностного сигнала R_вх =  , внутренним коэффициентом усиления K_в =  и выходным сопротивлением R_вых = 0. Кроме того, предполагается что коэффициент ослабления синфазного сигнала равен бесконечности.

Анализ схем включения операционного усилителя упрощается также и потому, что идеальный усилитель за счет бесконечно большого внутреннего коэффициента усиления и выходного сопротивления, равного нулю, развивает конечное напряжение на любой выходной нагрузке, отличной от нуля, при входном напряжении, равном нулю. Это дает возможность при анализе схем полагать напряжение между зажимами (+) и () равным нулю. Также равным нулю считают ток, ответвляющийся в бесконечно большое входное сопротивление.

Принцип виртуального замыкания

Изложенное соответствует принципу виртуального замыкания входных зажимов операционного усилителя. При виртуальном замыкании, как и при обычном, напряжение между замкнутыми зажимами равно нулю. Однако в отличие от обычного замыкания, ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет, т.е. в виртуальное замыкание ток не ответвляется. Иначе говоря, для тока виртуальное замыкание эквивалентно разрыву цепи.

И нвертирующая схема. На рис. 3 показана инвертирующая схема включения операционного усилителя. Применяя принцип виртуального замыкания, находим:

. (2)

С другой стороны:

. (3)

Приравнивая (2) и (3), получим:

. (4)

Из (4) получим коэффициент усиления инвертирующего усилителя:

. (5)

Неинвертирующая схема. Неинвертирующая схема включения операционного усилителя показана на рис. 4. Напряжение с выхода усилителя подается на инвертирующий вход усилителя. Это напряжение обратной связи относительно земли:

, (6)

где . (7)

Напряжение на выходе усилителя:

, (8)

откуда

. (9)

Следовательно, коэффициент усиления неинвертирующей схемы включения:

. (10)

При

. (11)

Выражения (5) и (11) точно выполняются для идеального операционного усилителя. Для реальных операционных усилителей (5) и (11) могут быть использованы практически только на очень низких частотах. С ростом частоты коэффициент усиления уменьшается. Для операционных усилителей зависимость модуля коэффициента усиления имеет вид:

(12)

где: K(0)  модуль коэффициента усиления по напряжению на нулевой частоте; f_в  верхняя частота среза. На частоте среза модуль коэффициента усиления уменьшается по отношению к K(0) в раз или на 3 децибела:

. (13)

При f>>f_в модуль коэффициента усиления обратно пропорционален частоте:

. (14)

Как видно из формулы (14), произведение модуля коэффициента усиления на частоту является постоянной величиной, численно равной частоте единичного усиления f₁ :

. (15)

Частота f₁, на которой K(f) становится равным единице, приводится в паспортных данных операционного усилителя (для ОУ 153УД2 f₁ = 1000 000 Гц; K(0) = 50 000). На основании (15) можно оценить значение частоты среза:

. (16)

Реальное значение f_в может отличаться для конкретного ОУ из-за разброса параметров.

Лабораторные задания и методические указания

1. Собрать схему инвертирующего усилителя согласно рис.3 с R₁ = 10 кОм и с R₂ = 100 кОм.

2. Подать на вход синусоидальное напряжение с генератора с частотой f от 10 Гц до 1000 кГц и амплитудой около 0,1 В.

3. Измерить с помощью осциллографа амплитуду напряжения на входе U_вх, и на выходе U_вых . Измерения произвести для 6 различных частот в диапазоне от 10 Гц до 1000 кГц.

4. Рассчитать коэффициент усиления по формуле:

. (17)

5. Рассчитать собственный коэффициент усиления по формуле:

. (18)

6. Построить графики АЧХ (амплитудно-частотных характеристик зависимости коэффициента усиления от частоты K(f) и K_собс(f)_.) для инвертирующего включения. При измерениях постоянно контролировать форму выходного напряжения. Если синусоида искажается, уменьшать уровень напряжения, подаваемого с генератора. АЧХ изображается в логарифмическом масштабе, поэтому измерения удобно проводить на частотах 10, 100, 1000, 10000, 100000, 1000000 Гц. Коэффициент усиления на этих частотах вычисляется в децибелах для K_собс(f), в линейном масштабе для K(f) и откладывается по оси ординат.

7. Определить частоту среза f_в . Построить графики K(f), рассчитанные по формуле (12) и сравнить их с АЧХ K_собс , полученными экспериментально .

8. Определить частоту единичного усиления усилителя с обратной связью f₁ из соотношения K_собс(f₁) = 0.

9. Повторить пункты 27 для неинвертирующего усилителя (рис. 4) с R₁ = 10 кОм и R₂ = 100 кОм.

Указания к отчёту

Отчёт должен содержать:

1. Цель работы

2. основные положения теории;

3. схемы включения интегральной микросхемы ОУ;

4. основные формулы расчётов;

5. графики АЧХ на миллиметровой бумаге

5)расчёт погрешностей определяемых физических

величин

6)обсуждения и выводы

Контрольные вопросы

1. Что называют идеальным операционным усилителем (ОУ)?

2. Какие схемы включения ОУ вы знаете?

3. Что такое принцип виртуального замыкания?

4. Какие параметры определяют частотные свойства реального ОУ?

5. Какие параметры реальных ОУ вы знаете?

Рекомендуемая литература

1. Нефёдов В.И. Основы радиоэлектроники. М., 2000.

2. Агаханян Т.М. Интегральные микросхемы. М., 1983.

3. Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. /Под ред. М.В. Гальперина. М., 1982.

4. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М., 1985.

79