Заготовка Операционный усилитель

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СХЕМ НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО
УСИЛИТЕЛЯ»
Цель работы: Изучение принципа работы, основных параметров и характеристик
операционного усилителя (ОУ), исследование схем включения ОУ.
ОУ операционным потому, что он может использоваться для выполнения различных
математических операций над сигналами: алгебраического сложения, вычитания,
умножения на постоянный коэффициент, интегрирования, дифференцирования,
логарифмирования и т.д. Современный ОУ выполняется на базе интегральной
микросхемы операционного усилителя, к выводам которой присоединяются источники
питания, входных сигналов, сопротивление нагрузки, цепи обратной связи (ОС),
коррекции частотных характеристик ОУ и другие цепи.
ОУ – это усилитель постоянного тока, имеющий большой коэффициент усиления по
напряжению. Для получения возможности усиливать разнополярные сигналы ОУ
запитывают, обычно симметричным, двухполярным источником питания.
Рис. 1. Упрощенная схема двухкаскадного ОУ А741
Иногда можно встретить ОУ, размещенные в однорядных 8-выводных (Рис. 2) либо
9-выводных корпусах (SIP) - К1005УД1.
Рис. 2 Однорядный пластиковый корпус сдвоенных ОУ для выводного монтажа (SIP-8)
Изображают ОУ на принципиальных схемах по-разному. За рубежом ОУ раньше
изображались, да и сейчас очень часто изображаются в виде равнобедренного
треугольника (Рис. 3, А). Инвертирующий вход — символом «минус», а неинвертирующий — символом «плюс» внутри треугольника.
Рис. 3 Варианты условных графических изображений операционных усилителей
В системе отечественных условных графических изображений (УГО) до вступления
в силу ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) ОУ также изображались в виде треугольника,
только инвертирующий вход — символом инверсии — кружочком в месте пересечения
вывода с треугольником (Рис.2, Б), а сейчас — в виде прямоугольника (Рис.2, В).
В общем случае на входные выводы ОУ подаются либо синфазный:
либо дифференциальный сигнал:
Uсф = (Uвх1 + Uвх2)/2,
Uдиф = (Uвх1 - Uвх2).
Операционный усилитель (ОУ) предназначен для усиления небольшого
разностного (дифференциального) сигнала. Синфазный сигнал схемой ОУ должен быть
максимально ослаблен. Выходное напряжение Uвых находится в фазе (синфазно) с
напряжением на входе "+" Uвx1 и противофазно напряжению на входе "-" Uвх2. На рис. 2.
приведены амплитудные характеристики ОУ.
Рис. 4. Амплитудные характеристики ОУ
Основные схемы включения операционного усилителя
1. Инвертирующее включение.
При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей
шиной (рис. 5).
Рис. 5. Инвертирующее включение ОУ
Усилитель называется инвертирующим, так как выходное напряжение Uвых
инвертировано по отношению к выходному напряжению Uвх. Отрицательная обратная
связь (ООС) создается с помощью резисторов Rвх, Rос (параллельная ООС по
напряжению).
Коэффициент усиления напряжения схемой инвертирующего ОУ определяется
выражением:
Кu = -Rос/Rвх.
(1)
Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости
от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше
единицы. Если Rос = Rвх, то Кu = -1 и ОУ становится инвертирующим повторителем
напряжения, у которого Uвых = -Uвх.
Записать значения резисторов Rвх и Rос для данной схемы! Произвести измерения
входного и выходного напряжения, результаты занести в таблицу 1.
Таблица 1
Uвх
Uвых изм.
Uвых расчт.
2. Неинвертирующее включение.
В этой схеме (рис. 6) входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а его
инвертирующий вход с помощью делителя выходного напряжения, выполненного на
резисторах Rвх, Rос, подается напряжение отрицательной обратной связи. Таким образом,
в схеме действует последовательная ООС по напряжению.
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:
Кu = 1 + Rос/Rвх.
(2)
Коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы. В
предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом
Rос = 0, а Rвх =  этот коэффициент равен единице и ОУ будет практически идеально
повторять входное напряжение:
Кu = 1.
(3)
Такие схемы называют неинвертирующими повторителями и изготавливают
серийно в виде отдельных интегральных микросхем, содержащих по нескольку
усилителей в одном корпусе.
Рис. 6. Неинвертирующее включение ОУ
Записать значения резисторов Rвх и Rос для данной схемы! Произвести измерения
входного и выходного напряжения, результаты занести в таблицу 2.
Таблица 2
Uвх
Uвых изм.
Uвых расчт.
3. Схема суммирования.
Для суммирования нескольких напряжений можно применить ОУ в инвертирующем
включении. Входное напряжение через добавочные резисторы подаются на
инвертирующий вход усилителя (рис. 7).
Рис. 7. Схема суммирования сигналов
Поскольку эта точка является виртуальным нулем, то на основании правила узлов
получим следующее соотношение для выходного напряжения схемы:
Uвх1/Rвх1 + Uвх2/Rвх2 + Uвых/Rос = 0,
(4)
выразив выходное напряжение, получим:
Uвых = - (Rос∙Uвх1/Rвх1 + Rос∙Uвх2/Rвх2).
(5)
Записать значения резисторов Rвх1, Rвх2 и Rос для данной схемы! Произвести
измерения входного и выходного напряжения, результаты занести в таблицу 3.
Таблица 3
Uвх1
Uвх2
Uвых изм.
Uвых расчт.
4. Схема вычитания.
Вычитание сигналов можно свести к сложению с инвертированными вычитаемыми
сигналами. Однако более часто используется схема, построения на одном ОУ (рис. 8).
Рис. 8. Схема вычитания сигналов
На рис. 8 приведена схема дифференциального включения ОУ. Найдем зависимость
выходного напряжения ОУ от входных напряжений. Соотношение между входным
напряжением Uвх1 и напряжением Up между неинвертирующим входом и общей шиной
определяется коэффициентом деления делителя на резисторах Rвх2 и R3:
Up = Uвх1R3/(Rвх2+R3)
(6)
Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей шиной Un = Up, ток
I1 определится соотношением:
I1 = (Uвх2 - Up) / Rвх1
(7)
Выходное напряжение усилителя в таком случае равно:
тогда, получим:
Uвых = Up – I1RОС,
Uвых = Uвх2∙[R3(Rвх1+RОС)/Rвх1(Rвх2+R3)] – Uвх1∙[RОС / Rвх1]
(8)
Записать значения резисторов Rвх1, Rвх2, R3 и Rос для данной схемы! Произвести
измерения входного и выходного напряжения, результаты занести в таблицу 4.
Таблица 4
Uвх1
Uвх2
Uвых изм.
Uвых расчт.
Найти соотношение резисторов Rвх1, Rвх2, R3 и Rос при котором:
Uвых = (Uвх2 – Uвх1)RОС/R1.
(9)
Порядок выполнения работы.
1.
Собрать схемы двух источников питания ИПН1 и ИПН2. Выставить заданное
преподавателем напряжение питания схем усилителей.
2.
Собрать схему инвертирующего усилителя, представленную на рис. 5.
3.
Подать на вход усилителя постоянное напряжение не более 1В от источника
ИПН1 (выходное напряжение ИПН1 регулируется резистором R2). Замерить с помощью
цифрового вольтметра выходное напряжение и рассчитать коэффициент усиления схемы.
4.
Определить значение Uвых насыщения исследуемого ОУ. Снять и построить
амплитудную характеристику усилителя, изменяя напряжение от источника ИПН1 от 0 до
Uвх max при котором усилитель входит в насыщение. Входное и выходное напряжения
замеряются цифровым вольтметром.
5.
Собрать схему неинвертирующего усилителя, представленную на рис. 6.
Заполнить таблицу 2.
6.
Собрать схему суммирования сигналов, представленную на рис. 7. Заполнить
таблицу 3.
7.
Собрать схему вычитания сигналов, представленную на рис. 8. Заполнить
таблицу 4. Вычислить требуемое соотношение резисторов.
8.
Сравнить результаты практического исследования схем на ОУ с
теоретическими формулами и сделать выводы.
Контрольные вопросы.
1.
Охарактеризуйте назначение, параметры, характеристики и особенности
применения ОУ.
2.
Поясните форму амплитудной характеристики ОУ.
3.
Охарактеризуйте неинвертирующий и инвертирующий повторители
напряжения и приведите их схемную реализацию.
4.
Чем определяется максимальное выходное напряжение Uвых ОУ?
5.
Приведите схему и формулу сложения сигналов напряжения.
6.
Приведите схему и формулу вычитания сигналов напряжения.