Применение ОУ весьма разнообразно. Однако следует отметить, что во всех случаях в линейных схемах ОУ используется с цепями отрицательной обратной связи (ООС), снижающими его коэффициент усиления. Без этого нормальная работа устройства невозможна. Цепи ООС могут быть построены на резисторах, либо с использованием реактивных элементов. В последнем случае ООС является частотно зависимой. Таким образом, использование соответствующих цепей ООС позволяет обеспечить требуемую функциональную зависимость между входным и выходным сигналами.
Если параметры цепи ООС выбрать так, чтобы проходящие по ней токи были на 1, 2 порядка больше входных токов ОУ, то влияние параметров последнего на свойства устройства будет незначительно, т.е. функциональная зависимость между входным и выходным сигналами будет определяться главным образом цепью ООС. Выбор параметров цепей ООС при построении устройств на ОУ обычно осуществляют с учетом указанного условия. Для этого принимают сопротивление в цепи ООС
2d×UП , (4.1)
3IВХ
где δ – допустимая погрешность от влияния входного тока ОУ |
|
||
(обычно 10−4 K10−3 ). |
|
|
|
Инвертирующий усилитель обеспечивает усиление сиг- |
|
||
нала по мощности с изменением знака (инвертированием). |
|
||
Его схема приведена на рисунке 4.5. В этой схеме входной |
|
||
сигнал подаётся на инвертирующий вход ОУ, а его неинверти- |
|
||
рующий вход соединен с нулевым проводом. При выполнении |
Рис. 4.5 Инвертирующая |
||
условия (4.1) с достаточной точностью можно считать, что ко- |
|||
эффициент усиления по напряжению |
|
|
схема включения ОУ |
KU = - RОС R1 , |
(4.2) |
||
а выходное напряжение UВЫХ = KU ×UВХ . |
|
|
|
Включение резистора RКОР , имеющего сопротивление |
|
||
R = |
R1RОС |
, |
(4.3) |
|
|||
КОР |
R1 + RОС |
|
|
|
|
|
|
повышает точность работы схемы за счет компенсации влияния входных токов IВХ ОУ. Входное сопротивление инвертирующего усилителя RВХ = R1 .
Если R1 = RОС , то KU = -1 и получаем инвертирующий повторитель напряжения (инвертор), у которого UВЫХ = -UВХ .
Неинвертирующий усилитель обес- |
|
печивает усиление сигнала без измене- |
|
ния знака (рис. 4.6а). В этой схеме вход- |
|
ной сигнал подаётся на неинвертирую- |
|
щий вход ОУ, а на его инвертирующий |
|
вход с помощью делителя выходного на- |
|
пряжения, выполненного на резисторах |
Рис. 4.6 Неинвертирующие схемы включения ОУ: |
R1 и RОС , подаётся напряжение ООС. |
а – усилитель; б – повторитель |
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя по напряжению
4
KU =1+ RОС , |
(4.4) |
R1 |
|
при этом RОС выбирается исходя из условия (4.1). |
|
При выполнении условия RОС = 0 и R1 → ∞ получаем схему неинвертирующего по- |
|
вторителя напряжения (рис. 4.6б) с KU = 1, т.е. UВЫХ = UВХ . Входное сопротивление |
|
повторителя напряжения на ОУ может составлять 107...1012 |
Ом , а выходное – доли Ом. |
Для повышения точности работы ОУ включают резистор RКОР , сопротивление кото-
рого определяется по формуле (4.3), однако включение этого резистора приводит к уменьшению входного сопротивления
усилителя, т.к. в этом случае RВХ = RКОР .
Дифференциальный усилитель пред-
ставляет собой сочетание инвертирующего и неинвертирующего включения ОУ (рис. 4.7а). Входные напряжения UВХ1 и
UВХ2 подаются соответственно на инвер- |
Рис. 4.7 |
Дифференциальный |
усилитель (вы- |
|||||
тирующий и неинвертирующий входы. |
|
читатель) (а) и инвертирующий сумматор(б) |
||||||
Выходное напряжение данной схемы |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RОС |
|
|
R3 |
|
æ |
RОС ö |
|
|
UВЫХ = -UВХ1 R |
+UВХ2 |
|
ç1+ |
R |
÷, |
(4.5) |
||
R + R |
||||||||
1 |
|
2 |
3 |
è |
1 |
ø |
|
|
если |
RОС |
= |
R3 |
, то U |
|
= (-U |
|
+U |
|
) RОС . |
|
R |
ВЫХ |
ВХ1 |
ВХ2 |
||||||
|
R |
|
|
|
R |
|||||
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
1 |
Следовательно, выходное напряжение такого устройства прямо пропорционально разности входных напряжений.
Инвертирующий сумматор может быть построен на основе инвертирующего усилителя (рис. 4.7б) путем добавления соответствующего числа входов. При этом
æ |
RОС |
RОС |
|
RОС ö |
, |
(4.6) |
|
UВЫХ = -çUВХ1 |
R |
+UВХ2 R |
+UВХ3 |
|
÷ |
||
R |
|||||||
è |
1 |
2 |
3 |
ø |
|
|
|
если R1 = R2 = R3 = RОС , то UВЫХ = −(UВХ1 +UВХ2 +UВХ3 ).
Все приведённые соотношения справедливы только тогда, когда операционный усилитель работает в линейном режиме.
5.2. Порядок выполнения работы.
iТип операционного усилителя задаётся преподавателем.
iДля всех исследуемых схем напряжение питания ОУ: UП = ±15 В.
Задание 1: Исследование инвертирующего усилителя (рис. 4.5)
а) собрать схему (рис. 4.8); установить сопротивление R1 = 1 кОм и сопротивление нагрузки RН = 10 кОм ; подать на вход усилителя синусоидальный сигнал с действующим значением напряжения UВХ = 5 мВ и частотой f = 10 кГц;
б) задавая значения сопротивления RОС =1; 10; 100; 1000 кОм, измерить с помощью вольтметра и записать в таблицу действующие значения выходного напряжения UВЫХ ; в) используя полученные экспериментальные значения вычислить коэффициент усиле-
5
ния по напряжению KU = UВЫХ 
UВХ результаты занести в таблицу;
г) занести в таблицу рассчитанные по формуле (4.2) теоретические значения KU ;
д) построить расчётную и экспериментальную кривые KU = f (RОС ) и объяснить возможные
расхождения;
е) используя Bode Plotter получить ЛАЧХ ФЧХ
исследуемой схемы в |
диапазоне |
частот |
f = 1Гц...100 МГц при |
RОС =1 МОм и опре- |
|
делить частоту единичного усиления F1 |
(часто- |
|
та, на которой модуль коэффициента усиления
KU = 1, или KU , дБ = 0).
Рис. 4.8 Схема исследования инвертирующего усилителя.
Задание 2: Исследование неинвертирующего усилителя (рис. 4.6а)
а) внести в соответствии с рис.4.6а необходимые изменения в схему (рис.4.8) и выполнить пункты а) – в) Задания 1;
б) занести в таблицу рассчитанные по формуле (4.4) теоретические значения KU ;
в) выполнить пункты д) – е) Задания 1.
Задание 3: Исследование дифференциального усилителя (рис. 4.7а)
а) собрать схему дифференциального усилителя, подключить ко входам источники постоянного напряжения с заданными значениями UВХ.1 и UВХ.2 , а к выходу – вольтметр;
б) рассчитать по формуле (4.5) сопротивления резисторов (в соответствии с рядом Е24) для обеспечения заданного преподавателем KU1 = KU 2 (принять RОС = R3 = 20 кОм );
в) с помощью вольтметра измерить выходное напряжение UВЫХ и сравнить с рассчи-
танным по формуле (4.5) значением.
Задание 4: Исследование инвертирующего сумматора (рис.4.7б)
а) собрать схему сумматора, подключить ко входам источники постоянного напряжения с заданными значениями UВХ.1...UВХ. N , а к выходу – вольтметр;
б) рассчитать по формуле (4.6) сопротивления резисторов (в соответствии с рядом Е24) для обеспечения заданных преподавателем KU1...KU N (принять RОС = 100 кОм);
в) с помощью вольтметра измерить значение выходного напряжения и сравнить с рассчитанным по формуле (4.6) значениемUВЫХ .
5.3.Контрольные вопросы
1.Что называют операционным усилителем?
2.Какие выводы содержит ОУ и для чего они предназначены?
3.Из каких каскадов состоит операционный усилитель?
4.Какими основными параметрами характеризуется ОУ.
5.Чем ограничивается выходное напряжение ОУ?
6.Почему для работы ОУ необходимо наличие цепей ООС и в чем их назначение?
7.Как рассчитывается коэффициент усиления для различных схем включения ОУ?
8.Как можно реализовать схемы суммирования и вычитания входных сигналов?
6