Сведения, необходимые для выполнения работы. Целью работы является:

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

УСИЛИТЕЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО

Целью работы является:

• ознакомление с характеристиками операционного усилителя;

• ознакомление с принципами построения схем преобразования анало­говых сигналов на основе операционного усилителя;

• исследование инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе операционного усилителя;

• исследование схем интегрирования и дифференцирования аналого­вых сигналов.

Перед началом выполнения работы полезно ознакомиться со сле­дующими вопросами:

• устройство и основные характеристики операционного усилителя [1, с. 83-90],

• способы построения усилителей на основе операционного усилителя [1, с. 91-92].

• способы построения преобразователей аналоговых сигналов на ос­нове операционного усилителя [1, с. 224-235].

Одной из разновидностей полупроводниковых приборов являются полупроводниковые интегральные микросхемы - монолитные функцио­нальные приборы, все элементы которых изготавливаются в едином тех­нологическом цикле. Интегральные микросхемы предназначены для вы­полнения различных операций, как с аналоговыми, так и с цифровыми электрическими сигналами. Среди интегральных микросхем, предназна­ченных для обработки аналоговых электрических сигналов, важнейшее место занимает операционный усилитель (ОУ) - полупроводниковый при­бор, предназначенный для усиления напряжения и обеспечивающий вы­полнение различных операций по преобразованию аналоговых электриче­ских сигналов: усиление, сложение, вычитание, интегрирование, диффе­ренцирование и т.д. Возможность выполнения этих операций ОУ опреде-

71

ляется наличием цепей положительной и/или отрицательной обратной свя­зи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости, индуктивно­сти, диоды, стабилитроны, транзисторы и некоторые другие электронные элементы.

Типовой ОУ представляет собой дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления. На рис.6.1. показано условное обозначение ОУ на принципиальных схемах.

Поскольку ОУ используются как преобразователи сигналов к их ха­рактеристикам предъявляются определенные требования. В основном эти требования сводятся к тому, чтобы характеристики, наилучшим образом соответствовали характеристикам идеального ОУ. Идеальный операцион­ный усилитель обладает следующими свойствами:

• коэффициент передачи ОУ без обратной связи равен бесконечности;

• входной ток равен нулю;

• напряжение смещения и ток смещения нуля на выходе ОУ равны ну­лю;

• входное сопротивление ОУ равно бесконечности;

• выходное сопротивление ОУ равно нулю.

Рис.6.1. Условное обозначение ОУ: (—) — инвертирующий вход ОУ; (+) - неинвертирующий вход ОУ; U(-) — на­пряжение на инвертирующем входе; U(+) — напряжение на неинвертирую-щем входе; Uъых~ выходное напряжение ОУ; Еп+ - положительное на­пряжение питания ОУ; Е_П_ - отрицательное напряжение питания;

Модель идеального ОУ может успешно применяться для вывода мате­матических соотношений, описывающих работу реальных ОУ в различных режимах.

Выходное напряжение ОУ определяется выражением:

(6.1)

где А - коэффициент передачи усилителя, не охваченного обратной свя­зью; U. - напряжение на инвертиртирующем входе; U+ - напряжение на не-инвертиртирующем входе.

Знак минус перед коэффициентом передачи (А) показывает, что вы-

ходное напряжение отрицательно. Коэффициент передачи (А) можно оп­ределить как отношение величины выходного напряжения (U_Вых) к разно­сти значений входных напряжений d U. Коэффициент передачи реальных ОУ на постоянном токе колеблется в пределах от 10000 до 2000000.

Большинство ОУ имеют биполярный выход. Это означает, что вы­ходной сигнал может иметь как положительную, так и отрицательную по­лярность. Поэтому для нормальной работы ОУ требуются два источника питания.

Выходное напряжение никогда не может превысить напряжение пи­тания (Un-^<U_BЫХ^<Un+)- Как правило, максимальное выходное напряжение ОУ на доли вольта меньше напряжения питания. Это ограничение извест­но как напряжение ограничения (положительное и_огр+ и отрицательное

и_огр-).

Схемы с ОУ, охваченные обратной связью

При высоком значении коэффициента передачи достаточно трудно управлять усилителем и удерживать его от насыщения. С помощью опре­деленных внешних цепей часть выходного сигнала можно направить об­ратно на вход, т.е. организовать обратную связь. Применяя отрицатель­ную обратную связь, когда сигнал с выхода усилителя приходит на вход в противофазе с входным сигналом, можно сделать усилитель более ста­бильным. Эта конфигурация называется усилителем, охваченным обрат­ной связью (или, что тоже, с замкнутой цепью обратной связи). Примене­ние цепи обратной связи приводит к снижению коэффициента передачи по сравнению с усилителем, не охваченным обратной связью (А), однако схема становится стабильной. Обычно схемы включения ОУ с замкнутой цепью обратной связи имеют коэффициент передачи от 10 до 1000, т.е. меньше, чем коэффициент передачи ОУ, не охваченного обратной свя­зью, более чем в тысячу раз. Если обратная связь положительна, усили­тель переходит в режим генерирования колебаний, т.е. становится авто­генератором.

Инвертирующий усилитель

Схема включения ОУ, показанная на рис.6.2, применяется на прак­тике чаще всего. Цепь обратной связи в этом случае представляет собой единственный резистор R_0С, который служит для передачи части выходно­го сигнала обратно на вход. Тот факт, что резистор соединен с инверти­рующим входом, указывает на отрицательный характер обратной связи. Входное напряжение (U1) вызывает протекание входного тока i1 через ре­зистор R1. Обратите внимание на то, что входное напряжение ОУ (dU) имеет дифференциальный характер, т.к. фактически это разность напряже­ний на неинвертирующем (+) и инвертирующем (-) входах усилителя. По­ложительный вход ОУ чаще всего заземляют.

- Рис. 6.2. Принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ

Применяя правила Кирхгофа, для схемы рис.6.2 можно составить следующие уравнения:

(6.2) (6.3) (6.4) (6.5)

Решая эти уравнения совместно, можно получить следующее выражение:

(6.6)

где Z - полное сопротивление цепи обратной связи:

Сопротивления входного резистора и резистора цепи обратной связи обычно большие (десятки кОм), а коэффициент передачи ОУ очень высо­кий (А > 100000), таким образом, полное сопротивление цепи обратной связи с высокой точностью можно считать равным Z = R_oc. Кроме того, величина d U обычно очень мала (несколько мкВ) и если значение входно­го сопротивления ОУ (Z_Bx) высокое (обычно около 10 МОм), то тогда входной ток (i_BX ⁼ d U/ Z_BX) чрезвычайно мал и им можно пренебречь. С учетом сказанного выходное напряжение будет равно:

где К - коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью; K = Roc/Ri

Знак минус в выражении (6.7) означает, что выходной сигнал имеет полярность противоположную входному сигналу, т.е. инвертирован отно­сительно него, поэтому такой усилитель называют инвертирующим усили­телем. Следует обратить внимание, что коэффициент передачи ОУ, охва­ченного обратной связью, можно регулировать посредством выбора сопро­тивлений двух резисторов, R1 и R_0C-

Дата добавления: 2015-05-06