Исследование операционного усилителя

Цель работы:

Изучение принципа работы, основных параметров и характеристик операционного усилителя (ОУ), исследование схем включения ОУ.

7.1. Теоретические сведения.

Исследуемый усилитель называется 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.

На рис. 7.1. показано условное обозначение ОУ с одним выходом и двумя входами: прямым и инверсным. Инверсный вход обозначают знаком инверсии (кружком) или помечают знаком "-". Прямой вход не имеет знака инверсии или его помечают знаком "+".

Б общем случае на входные выводы ОУ подаются либо синфазный

Uсф = (Uвх1 + Uвх2)/2,

либо дифференциальный сигналы.

Uдиф = (Uвх1 - Uвх2)

Рис. 7.1.

ОУ предназначен для усиления небольшого разностного (дифференциального) сигнала. Синфазный сигнал схемой ОУ должен быть максимально ослаблен. Выходное напряжение Ивых находится в фазе (синфазно) с напряжением на входе "+" Uвx1 и противофазно напряжению на входе "-" Uвх2.

На рис. 7.2. приведены амплитудные характеристики ОУ.

Рис. 7.2.

7.1.1. Инвертирующий усилитель.

В этой схеме входной сигнал подается на инвертирующий вход

ОУ, а его не инвертирующий вход заземлен (см. рис. 7.3.).

Рис. 7.3.

Усилитель называется инвертирующим, так как выходное напряжение Uвых инвертировано по отношению к выходному напряжению Uвх. Отрицательная обратная связь создается с помощью резисторов

R2, R1 (параллельная ООС по напряжению).

Коэффициент усиления напряжения схемой инвертирующего ОУ определяется выражением:

Кu = -R2/R1.

Если R2 = R1, то Кu = -1 и ОУ становится инвертирующим повторителем напряжения, у которого Uвых = -Uвх. Входное сопротивление инвертирующего ОУ.

Rвх = R1,

а выходное сопротивление

Rвых = Rвых оу /(1 + Коу/Кu).

Для компенсации различия входных токов в схему введен резистор

R3 = R1*R2/(R1+R2).

7.1.2. Неинвертирующий усилитель.

В этой схеме (см. рис. 7.4.) входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а его инвертирующий вход с помощью делителя выходного напряжения, выполненного на резисторах R1, R2, подается напряжение ООС.

Uоос = Uвых*R2/(R1 + R2).

В схеме действует последовательная ООС по напряжению.

Рис. 7.4.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя.

Кu = 1 + R1/R2.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя

Rвх = Rвх оу * (1+Коу/Кu),

а выходное сопротивление

Rвых = Rвых оу /(1+Коу/Кu).

При выполнении условия R1 = 0, R2 = ¥ ОУ будет выполнять функцию практически идеального повторителя напряжения, у которого

Кu = 1, а Uвых = Uвх.

7.2. Подготовка к работе.

7.2.1. Изучить принцип работы, параметры, характеристики,

схемы включения и возможности применения ОУ.

7.2.2. Определить входное, выходное сопротивления и коэффициент усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителей для заданных преподавателем значений параметров исследуемых схем.

7.2.3. Нарисовать схемы исследуемых усилителей.

7.2.4. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

7.3. План работы.

7.3.1. Собрать схемы двух источников питания и генератора

синусоидальных колебаний (см. паспорт к стенду). Выставить заданное преподавателем напряжение питания схем усилителей.

7.3.2. Собрать схему инвертирующего усилителя, представленную на рис. 7.5. Приложение 1.

7.3.3. 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.

7.3.4. Снять и построить амплитудную характеристику усилителя, изменяя напряжение от источника ИПН1 от 0 до Uвх max при котором усилитель входит в насыщение. Определить значение Uвых

нас. исследуемого ОУ. Входное и выходное напряжения замеряются

цифровым вольтметром.

7.3.5. Подать на вход усилителя синусоидальный сигнал часто

той f = 1кГц и амплитудой не более 1В от генератора ГС1. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений.

7.3.6. Подать на вход усилителя сигнал с амплитудой более

Uвх max и зарисовать осциллограмму выходного напряжения. Пояс-

нить полученный результат.

7.3.7. Снять и построить амплитудно-частотную характеристику усилителя при Uвх = 1В, изменяя частоту входного сигнала от 200 Гц до 200кГц (для построения АЧХ в диапазоне от 200кГц до 2МГц использовать внешний генератор).

7.3.8. Собрать схему неинвертирующего усилителя, представленную на рис. 7.6. Приложение 1.

7.3.9. Для исследования данной схемы усилителя выполнить указания пунктов 7.3.3. – 7.3.7.

7.3.10. Сравнить результаты практического исследования схем на ОУ с теоретическими и сделать выводы.

7.4. Контрольные вопросы.

7.4.1. Охарактеризуйте назначение, параметры, характеристики и особенности применения ОУ.

7.4.2. Сравните схемы усилителей на ОУ по основным параметрам.

7.4.3. Охарактеризуйте неинвертирующий и инвертирующий повторители напряжения и приведите их схемную реализацию.

7.4.4. Нарисуйте амплитудно-частотную характеристику ОУ и

поясните ее.

7.4.5. Как осуществляется и для чего предназначена коррекция частотных характеристик ОУ?

7.4.6. Чем определяется максимальное выходное напряжение

Uвых ОУ?

8. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N8

Дата добавления: 2015-03-29