1. Дослідження схем включення операційного підсилювача

Мета роботи - вивчення принципу роботи, основних параметрів і характеристик операційного підсилювача (ОП), дослідження ОП як масштабного підсилювача інвертуючого та неінвертуючого.

Теоретичні відомості

Досліджуваний підсилювач називається операційним тому, що він може використовуватися для виконання різних математичних операцій над сигналами: алгебраїчного додавання, віднімання, множення на постійний коефіцієнт, інтегрування, диференціювання, логарифмування і т.ін. Операційним часто називають підсилювач напруги з великим коефіцієнтом підсилення, охоплений колом негативного зворотного зв'язку, що визначає основні якісні показники і характер виконуваних підсилювачем операцій. Сучасний ОП виконується на базі інтегральної мікросхеми операційного підсилювача (ІМС ОП), до виводів якої, крім кола негативного зворотного зв'язку, під’єднуються джерела живлення, вхідних сигналів, опір навантаження, кола корекції частотних характеристик ОП в інтегральному виконанні та інші кола.

ОП - це підсилювач постійного струму (ППС), його амплітудно-частотна характеристика не має завалу в області низьких частот, оскільки ОП не містить роздільних конденсаторів. Для того щоб під час відсутності вхідних сигналів потенціал виходу можна було привести до нуля (до потенціалу землі), живлення ОП роблять двополярним і ,зазвичай, симетричним (в стенді ±12 В).

Н

Рис.1

а рис. 1, а показано умовне зображення ОП з одним виходом і двома входами: прямим і інверсним. Інверсний вхід 2 позначають знаком інверсії (кружком) або позначають знаком «-». Прямий вхід 1 не має знака інверсії або його позначають знаком «+». У загальному випадку на вхідні виводи ОП 1 і 2 надходять напруги і , що називають напругами загального виду. З них виділяють синфазний і диференціальний сигнали (рис. 1, б). Операційний підсилювач призначений для підсилення невеликого різницевого (диференціального) сигналу. Синфазний сигнал для схеми ОП має бути максимально ослаблений. Вихідна напруга знаходиться у фазі з напругою на вході 1 і протифазна напрузі на вході 2 U_вх2.

ОП в інтегральному виконанні характеризується великим коефіцієнтом підсилення напруги, високими вхідними і низьким вихідним опорами, що характеризує його малий вплив на джерело сигналу та можливість підключення достатньо великого навантаження, відповідно. Схема включення операційного підсилювача в інвертуючому режимі представлена на рис. 2, а. У цій схемі вхідний сигнал подається на вхід, що інвертує, ІМС ОП, а його вхід, що не інвертує, заземлений. Підсилювач називається інвертуючим, тому що вихідна напруга U_вих інвертована (протифазна) відносно вхідної напруги U_BX. Негативний зворотний зв'язок створюється за допомогою резисторів R2>R1 (НЗЗ по напрузі).

В

Рис. 2

ираз для визначення коефіцієнта підсилення напруги схемою інверсного підсилювача:

. (1)

Якщо ввести позначення глибини НЗЗ:

, (2)

яка при виконанні умови R₂ > R1 дорівнює:

,

то:

. (2)

Якщо R1=R2, то і ОП стає інвертуючим повторювачем напруги, у якого:

. (4)

Вхідний опір що інвертує ОП:

, (5)

а вихідний опір:

. (6)

Вхід, що не інвертує, ІМС ОП через резистор R3 з'єднаний із землею, тому його потенціал дорівнює нулеві а, отже, дорівнює нулеві і потенціал входу, що інвертує, тому що . Тому на входах даної ІМС ОП синфазний сигнал відсутній. Через входи мікросхеми протікають незначні вхідні струми, що при Uвх = 0 можуть викликати випадкові зміни вихідного сигналу. Для їхньої компенсації потрібно забезпечити рівність опорів входів ІМС ОП. Тому в схему введений резистор . Інвертуюча схема включення ОП (рис. 2, а) може використовуватися для зміни масштабу вхідної напруги множенням його на постійний коефіцієнт (, а також для алгебраїчного підсумовування вхідних сигналів (у якості аналогового суматора, рис. 2, б). Напруга на виході такої схеми:

. (7)

Якщо R₁=R₂=R, то:

(8)

Схема включення операційного підсилювача в неінвертуючому режимі представлена на рис. 3, а. У цій схемі вхідний сигнал подається на вхід, що не інвертує, ІМС ОП, а на його вхід, що інвертує, за допомогою дільника вихідної напруги, виконаного на резисторах R1, R2, подається напруга НЗЗ . У схемі діє послідовна НЗЗ по напрузі, глибина якого:

, (9)

а диференціальна напруга, прикладена до ІМС ОП:

. (10)

Тому що коефіцієнт підсилення напруги ІМС ОП , те і

. (11)

З цього співвідношення випливає, що коефіцієнт підсилення напруги схемою що не інвертує ОП

а) б)

Рис. 3

(12)

Вхідний опір ОП, що не інвертує:

, (13)

а вихідний опір:

(14)

У даному включенні ІМС ОП потенціали його входів як і раніше приблизно однакові, тому що , і дорівнюють значенню U_вх, тобто на входах ІМС ОП діє синфазний сигнал, значення якого близько до U_вх. При виконанні умов R₁= 0, R₂ = ∞ вираз (12) прийме вид:

,

тому як операційний підсилювач буде виконувати функцію повторювача напруги, що не інвертує, у якого Uвих =Uвх (рис. 3, б).

Неінвертуюча схема включення ОП (рис. 3, а) може використовуватися для зміни масштабу вхідної напруги множенням його на постійний коефіцієнт .

Схема експерименту

До складу лабораторної установки входять: лабораторна макетна плати, операційний підсилювач, двополярний блок живлення, генератор сигналів низької частоти і двоканальний осцилограф.