Лабораторная работа 4. Исследование инвертирующей и неинвертирующей схем включения операционного усилителя

Цель работы - изучение принципа работы, основных параметров и характеристик операционного усилителя (ОУ), включенного по схемам инвертирующего и неинвертирующего усилителя.

Теоретические сводки и методические указания

Исследуемый усилитель называется операционным потому, что он может использоваться для выполнения разных математических операций над сигналами: добавления алгебраизма, вычитания, умножения на постоянный коэффициент, интегрирование, дифференцирование, логарифмирование и т. д.

Операционным часто называют усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления, охваченный кругом негативной обратной связи, которая определяет основные качественные показатели и характер выполняемых усилителем операций. Современный ОУ выполняется на базе интегральной микросхемы операционного усилителя (ИМС ОУ), к выводам которой, кроме цепи отрицательной обратной связи, подсоединяются источники питания, входной сигнал, сопротивление нагрузки, цепи коррекции частотных характеристик ОУ.

ОУ - это усилитель постоянного тока (УПТ), его амплитудно-частотная характеристика не имеет завала в области низких частот, поскольку ОУ не содержит разделительные конденсаторы. Для того, чтобы во время отсутствия входных сигналов потенциал выхода можно было привести к нулю (к потенциалу земли), питание ОУ делают двухполярним и симметричным (в стенде ±12 В).

На рис. 1.1, а показано условное изображение ОУ с одним выходом и двумя входами: прямым и инверсным.

а) б) в)

Рис.1.1

Инверсный вход 2 помечают знаком инверсии (кружком) или помечают знаком «-». Прямой вход 1 не имеет знака инверсии или его помечают знаком «+». В общем случае на входные выводы ОУ 1 и 2 поступают напряжения и , что называют напругами общего вида. Из них выделяют синфазный и дифференциальный сигналы (рис. 2.1, б). Относительно потенциал на входном выводе 1 выше, и на входном выводе 2 — ниже на значение , а дифференциальный (разностный) сигнал .

Операционный усилитель предназначен для усиления небольшого разностного (дифференциального) сигнала. Синфазный сигнал для схемы ОУ должен быть максимально ослаблен. Исходное напряжение находится в фазе (синфазная) с напряжением на входе 1 и протифазна напряжению на входе 2 U_вх2.

На рис. 1.1, в приведены амплитудные характеристики ОУ для случаев: а — входной сигнал подается на вход 2, который инвертирует, а вход 1, что не инвертирует, заземлен; б - входной сигнал подается на вход, который не инвертирует, 1, а вход 2, который инвертирует, заземлен.

Выходное напряжение снимается относительно средней точки источников питания ЕП1 и ЕП2. Если U_вх = 0, то и U_вых = 0, что отображает условие баланса ОУ. При отсутствии обратной связи наклоны амплитудных характеристик 1, 2 определяются коэффициентом усиления напряжения ОУ . Характерной для амплитудных характеристик ОУ есть наличие двух областей насыщения: +U_{вых. нас} и -U_{вых. нас}, при достижении которых исходное напряжение остается постоянным и не зависит от изменений входного напряжения.

ОУ в интегральном выполнении характеризуется большим коэффициентом усиления напряжения, высокими входными и низким выходным опорами.

В зависимости от того, на какие входы ОУ подаются входные сигналы, различают две схемы включения ОУ в интегральном выполнении: инвертирующая, неинвертирующая. Эти схемы имеет ряд общих особенностей: 1 - наличие элементов отрицательной обратной связи (ООС); 2 - при выведении аналитических выражений для оценки основных параметров ОУ принимают значение , потому что ИМС ОУ имеет очень высокий коэффициент усиления напряжения ( ); 3 - входной ток считают равным нулю, потому что ИМС ОУ имеет высокое входное сопротивление ( ).

С

а) б) в)

Рис. 1.2

хема включения операционного усилителя в инвертирующем режиме представлена на рис. 1.2, а.

В этой схеме входной сигнал подается на вход, который инвертирует, ИМС ОУ, а его другой вход, который не инвертирует, заземлен. Усилитель называется инвертирующим, потому что выходное напряжение U_вих инвертировано (протифазно) относительно входного напряжения U_BX. Отрицательная обратная связь создается с помощью резисторов R2>R1 (ООС по напряжению).

Вследствие того, что входной ток ИМС ОУ , справедливо соотношение

(2.1)

Поскольку диференциальное входное напряжение ИМС ОУ , а , то:

(2.2)

Выходное напряжение в последнем выражении входит со знаком минус, потому что оно протифазно входному напряжению.

На основании соотношения 2.2 выражение для определения коэффициента усиления напряжения схемой инверсного усилителя:

. (2.3)

Если ввести обозначение глубины ООС:

, (2.4)

при выполнении условия R2 > R1 равняется:

,

то:

. (2.5)

Если R1=R2, то ОУ становится инвертирующим повторителем напряжения, у которого:

. (2.6)

Входное сопротивление инвертирующего ОУ:

, (2.7)

а выходное сопротивление:

. (2.8)

Инвертирующая схема включения ОУ (рис. 1.2, а) может использоваться для изменения масштаба входного напряжения умножением его на постоянный коэффициент ( , а также для алгебраического суммирования входных сигналов (как аналоговый сумматор, рис. 1.2, б). Напряжение на выходе такой схемы:

. (2.8)

Если R1=R2=R, то:

(2.9)

Схема включения операционного усилителя в неинвертирующем режиме представлена на рис. 1.3, а. В этой схеме входной сигнал подается на неинвертирующий вход ИМС ОУ, а на его инвертирующий вход, с помощью делителя выходного напряжения, выполненного на резисторах Rl, R2, подается напряжение ООС . В схеме действует последовательная ООС по напряжению, глубина которой:

, (2.10)

а дифференциальное напряжение, прилагаемое к ИМС ОУ:

. (2.11)

Потому что коэффициент усиления напряжения ИМС ОУ, то и

. (2.12)

Из этого соотношения вытекает, что коэффициент усиления неинвертирующего ОУ

а) б)

Рис. 1.3

(2.13)

Входное сопротивление ОУ, что не инвертирует:

, (2.14)

а выходное сопротивление:

(2.15)

В данном включении ИМС ОУ потенциалы его входов как и раньше приблизительно одинаковые, потому что, и равняются значению U_вх, то есть на входах ИМС ОУ действует синфазный сигнал, значение которого близко к U_вх. При выполнении условий R1= 0, R2 =∞ выражение (2.13) примет вид:

,

поэтому операционный усилитель будет выполнять функцию повторителя напряжения, которое не инвертирует, U_вих =U_вх (рис. 1.3, б).

Неинвертирующая схема включения ОУ (рис. 1.3, а) может использоваться для изменения масштаба входного напряжения умножениям его на постоянный коэффициент (, а также для суммирования алгебраизма входных сигналов (как аналоговый сумматор, рис. 1.2, в). Напряжение на выходе такой схемы:

(2.16)

Схема эксперимента

В состав лабораторной установки входят: лабораторная макетная платы, операционный усилитель, двухполярный блок питания, генератор сигналов низкой частоты и двухканальный осциллограф.