Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Борисовский государственный

политехнический колледж»

Методические указания к практическим работам

по дисциплине

«Электронная техника»

Составитель: преподаватель дисциплины:

А. Е. Лютаревич

2011

Практическая работа № 1

Расчёт схем инвертирующего и

неинвертирующего ОУ

Цель работы: научиться рассчитывать схемы инвертирующего и неинвертирующего операционного усилителей с подбором стандартных элементов схемы из справочной литературы.

Краткие теоретические сведения

Операционный усилитель (ОУ) - это усилитель с гальваническими связями, имеющий большой коэффициент усиления и работающий в схемах с глубокой обратной связью.

ОУ имеет большое входное сопротивление (десятки-сотни кОм), малое вы­ходное сопротивление (сотни Ом), большой коэффициент усиления по напряжению (до 10 - 10), малую мощность потребления (десятки мВт), нулевые потен­циалы на входных и выходных клеммах при отсутствии входных сигналов, малый температурный дрейф нулевого уровня (единицы мкВ/ ºС ). Полоса пропускания ОУ простирается от постоянного тока, до сотен МГц.

Особенность ОУ - наличие двух входов: инвертирующего и неинвертирующего и одного (редко двух) общего выхода. При подаче на инвертирующий вход (обозначается знаком минус и кружочком в точке подключения) сигнала происхо­дит изменение его полярности, например, при подаче положительного импульса на выходе появляется отрицательный импульс. Сигнал, поступающий на неинвер-тирующий вход (обозначается обычно знаком плюс), появляется на выходе без изменения полярности.

Питание ОУ производится от двух соединенных последовательно источников питания +Е_П и -Е_П, средняя точка при этом заземляется на корпус. Существуют также ОУ с однополярным питанием от одного источника.

На основе ОУ строят различные функциональные преобразователи аналого­вых сигналов: масштабные, интегрирующие, компараторы (схемы, реализующие аналоговое сравнение двух сигналов) и другие.

В инвертирующем ОУ, схема которого представлена на рисунке 1, напряжение U_ВХ подается на инвертирующий вход, из-за чего выходное напряжение будет инвертировано относительно входного.

Резисторы R_ОС, R₂, R₁ осуществляют в этой схеме параллельную обратную связь по напряжениию, т.е. с выхода усилителя на его вход подается обратной связи:

где коэффициент передачи цепи обратной связи.

Неинвертирующий вход ОУ через резистор R₂ соединен с корпусом, т.е. имеет нулевой потенциал. Входное сопротивление ОУ будет фактически равно сопротивлению резистора R₁, а входной ток:

Коэффициент усиления ОУ при инвертирующем включении К_ин определяется отношением сопротивление резисторов в цепи обратной связи и равен:

Синфазный сигнал на входах схемы на рисунке 1 отсутствует, т.к. потенциал каждого из его входов равен нулю. Через входы реальной ИМС ОУ проходят токи, влияние которых на выходные напряжения не будут ощущаться при равенстве напряжений, создаваемых этими токами в симметричных цепях. Следовательно, сопротивления в цепях входов ОУ должны быть равными, то есть в схеме на рисунке 1 R₁=R₂

В неинвертирующем ОУ, схема которого приведена на рисунке 2 сигнал U_ВХ поступает на неинвертирующий вход, благодаря чему U_BbIX синфазно U_BX. Напряжение на выходе ОУ равно сумме напряжение на резисторах R_ОС и R_1.

Коэффициент усиления неинвертирующего ОУ:

Входное сопротивление в таком усилителе велико, т.к. между входами ИМС приложено напряжение U₀=0 и через схему проходит весьма незначительный входной ток, т.е :

где: коэффициент передачи цепи обратной связи.

Выходное сопротивление ОУ, наоборот, незначительно, как и в инвертирующем ОУ:

где: R_BbIX - выходное сопротивление ИМС.

В неинвертирующем ОУ напряжение обоих входов ИМС приблизительно одинаковы (разность напряжений дифференциального входа Uo=0), они равны напряжению неинвертирующего входа, т.е. на входах ИМС действует синфазный сигнал, значение которого близко к U_BX. Резистор R₂ вводится в схему для создания равного падения напряжений на обоих входах.

1 Расчёт инвертирующего операционного усилителя

1.1 Исходные данные для расчёта

ИМС ОУ К140УД7 с параметрами:

Е_П=±15В;

К_UОУ=30000;

U_вых.max= ±10.5В;

R_вх.ОУ=0,4МОм;

R_вых.ОУ=0,1кОм;

I_вх=0,4мкА;

Разность входных токов ∆I_вх. =0,2мкА;

Требуемый коэффициент усиления напряжения К_U=20;

Минимальное входное напряжение U_вх.min=10мВ.

Определить сопротивления резисторов схемы усиления, входное R_вх. и выходное R_вых. сопротивление усилителя с обратной связью, напряжение U_вх.max, при котором не будет искажения сигнала. Сопротивлением нагрузки пренебречь.

1.2 Рассчитываемая электрическая схема

Рисунок 1

1.3 Порядок расчёта

1.3.1 Для упрощения расчёта считаем ОУ идеальным, т.е. К_UОУ = ∞, R_вх.ОУ=∞. Тогда входное сопротивление инвертирующего ОУ R_вх = R₁. Его желательно иметь большим, чтобы не загружать источник входного сигнала. Но разносный ток ∆I_вх создаёт падение напряжения R₁∆I_вх, которое воспринимается ОУ как сигнал.

Чтобы избежать ложного сигнала, необходимо выполнить условие:

(1)

Следовательно,

(2)

Принимая R₁ = 5кОм, тогда

R₁∆I_вх=5 10³ 0,2 10^-6=1мВ< U_вх.min=10мВ

1.3.2 Т.к. коэффициент усиления инвертирующего усилителя

(2)

Тогда сопротивление резистора обратной связи

(3)

1.3.3 Неинвертирующий вход заземлён через резистор R₂, сопротивление которого для снижения величины токового дрейфа R₂ = R_ос//R₁

(4)

4. Входные и выходные сопротивления усилителя при неидеальном ОУ:

(5)

(6)

4. Амплитуда выходного сигнала U_вых.max ≤ 10,5В, значит, амплитуда входного сигнала, при котором не будет искажения

(7)

2 Расчёт неинвертирующего операционного усилителя

2.1 Исходные данные для расчёта

ИМС ОУ К140УД7 с параметры которого, даны в задаче 1, К_Uн=30;

R_вх.н=5кОм;

Минимальное входное напряжение U_вх.min=20мВ.

Определить сопротивления резисторов схемы усилителя, входное R_вх. и выходное R_вых. сопротивления усилителя с обратной связью, наибольшее значение входного напряжения U_вх.max, при котором сигнал усиливается без искажения. Определить входной ток усилителя.

2.2 Рассчитываемая электрическая схема

Рисунок 2

2.3 Порядок расчёта

2.3.1 Чтобы падение напряжения на резисторе R₂ от разносного тока ∆I_вх не воспринималось как сигнал, необходимо, чтобы

(1)

Следовательно,

(2)

Принимая R₂ = 10кОм, тогда

R₂∆I_вх = 2мВ< U_вх.min=10мВ

2.3.2 Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя можно выразить двумя формулами:

(3)

или

(4)

Значит сопротивление резистора обратной связи

(5)

2.3.3Резистор R₁ служит для управления входов:

R_ос//R₁= R₂

(6)

2.3.4 Входные и выходные сопротивления усилителя при неидеальном ОУ:

R_вх =R₂=10 кОм (7)

(8)

2.3.5 Т.к. амплитуда выходного напряжения ОУК140УД7 U_вых.max= ±10.5В, то амплитуда входного напряжения, при котором не будет искажения сигнала

(9)

2.3.6 Амплитуда выходного тока:

(10)

Содержание отчета:

Отчет по практической работе должен содержать:

1. Название и цель работы.

2. Исходные данные для расчета согласно своему варианту.

3. Расчетную схему.

4. Выполнение расчетов, сопровождаемое пояснениями к каждому действию.

5. Вывод по работе.

Контрольные вопросы:

1. Что представляет собой операционный усилитель и как ои работает?

2. Из каких основных каскадов состоит микросхема ОУ?

3. Пречислите основные параметры ИМС ОУ и поясните их значения.

4. Начертите схемы инвертирующего и неинвертирующего усилительных каскадов с ОУ и поясните принцип их работы.

Таблица выбора вариантов заданий учащихся для практической работы №1

ИМС ОУ К140УД7

Вариант	KU	Uвх.min, мВ	RН, кОМ
1	20	12	1
2	25	14	2
3	30	16	3
4	35	18	4
5	40	20	5
6	45	22	6
7	50	24	7
8	55	26	1
9	20	28	2
10	25	30	3
11	30	10	4
12	35	11	5
13	40	13	6
14	45	15	7
15	50	17	1
16	55	19	2
17	20	20	3
18	25	21	4
19	30	23	5
20	35	25	6
21	40	27	7
22	45	29	1
Вариант	KU	Uвх.min, мВ	RН, кОМ
23	50	12	2
24	55	14	3
25	20	16	4
26	25	18	5
27	30	20	6
28	35	22	7
29	40	23	1
30	45	24	2
31	50	25	3
32	55	26	4