Исследование инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе операционного усилителя

 

1. Цель работы:
• 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

 

2. Краткие теоретические сведения, необходимые для выполнения работы.

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 определяется 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. 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 характеристиками отдельного 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.

Uвых

U-

U+

                                                Рис.1 УГО ОУ

Рисунок 1. Условное обозначение ОУ:

Рис. 1 Условное обозначение  ОУ

(-) – инвертирующий  вход ОУ; (+) - неинвертирующий вход ОУ; (U_- ) – напряжение на инвертирующем входе; U₊  - напряжение на неинвертирующем входе; U_вых – выходное напряжение ОУ;

 

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

Выходное напряжение ОУ определяется выражением:

U_вых = -A(U_- - U₊) = -A(Δ U),

Где А – коэффициент передачи усилителя, не охваченного обратной связью; U_- - напряжение на инвертирующем входе; U₊ - напряжение на неинвертирующем входе.

Знак минус перед коэффициентом  передачи (A) показывает, что выходное напряжение отрицательно. Коэффициент передачи (A) можно определить как отношение величины выходного напряжения (U_вых)к разности значений входных напряжений . 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.

Выходные напряжение никогда  не может превысить напряжение питания (U_п-<U_вых <U_П+). Как правило, максимальное выходное напряжение ОУ на доли вольта меньше напряжения питания. Это ограничение известно как напряжение ограничения (положительное U_огр+  и отрицательное U_огр).

Схемы с ОУ, охваченные обратной связью

При высоком значении коэффициент  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 (A), 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 рисунке 2 применяется на практике чаще всего. Цепь обратной связи в этом случае представляет собой единственный резистор R_ос , 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 i₁через резистор R₁ . Обратите внимание на то, что входное напряжение ОУ () имеет дифференциальный характер, т.а фактически это разность напряжений на неинвертирующем (+) и инвертирующим (-) входах усилителя. Положительный вход ОУ чаще всего заземляют.

                           Рис. 2 Принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ

Применяя правила Кирхгофа, для схемы рис. 2 можно составить следующие уравнения:

 

 

 

 

Решая эти уравнения совместно, можно получить следующее выражение:

 

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 (), таким образом, полное сопротивление цепи обратной связи с высокой точностью можно считать равным . Кроме тогоЮ величина обычно очень мала (несколько мкВ), и если значение входного сопротивления ОУ () высокое (обычно около 10 МОм), то тогда входной ток () чрезвычайно мал и им можно пренебречь. С учетом сказанного выходное напряжение будет равно:

 

где K – коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью; .

 

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. Следует обратить внимание, что коэффициент передачи ОУ, охваченного обратной связью, можно  регулировать посредством выбора сопротивлений  двух резисторов R1 и Roc.

 
Ход работы

1. Передаточные характеристики операционного усилителя.

Рис. 1

 

Uогр- = -7.9 В

Uогр+ = 7.5 В

Кус = (Uвых2-Uвых1)/(Uвх2-Uвх1) = -10.021

2. Исследование работы инвертирующего усилителя.

Фазы вх. и вых. противоположны по знаку и фаза выходного сигнала в несколько раз больше.

Uвх.m = 0.77 В

Uвых.m = 7.0 В

Kос = Roc/R1 = 10

К = Uвых.m / Uвх.m = 9.09

Рис. 2

3. Вывод:

Я ознакомился с принципами построения схем преобразования аналоговых сигналов на основе операционного усилителя  и исследовал работу инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя.