Теоретические сведения и методические указания.

5.1. Характеристики операционных усилителей.

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления и высокое входное сопротивление. В настоящее время операционные усилители выпускают в виде интегральных микросхем. Типичные параметры интегрального ОУ следующие: , коэффициент усиления напряжения KU = 10⁴–10⁶.

Благодаря совершенным характеристикам операционных усилителей на их основе возможна реализация большого числа как линейных, так и нелинейных устройств. Вследствие своей надежности и универсальности операционный усилитель стал самым массовым элементом аналоговой схемотехники.

Рис. 5.1

Условное обозначение ОУ приведено на рис. 5.1. Интегральный операционный усилитель имеет дифференциальный вход. Неинвертирующий вход обозначен знаком «+», а инвертирующий – знаком «–».

Зависимость выходного напряжения ОУ от входного называют передаточной характеристикой. Она изображена на рис. 5.2.

мВ

Рис. 5.2

Передаточная характеристика ОУ имеет три области: линейную и две области насыщения. В линейной области ОУ ведет себя как усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления. Поскольку напряжение на выходе ОУ не может превышать напряжение питания, входное напряжение , соответствующее линейному режиму, не превышает долей милливольта. Поэтому операционный усилитель может работать в линейном режиме только при наличии отрицательной обратной связи.

Анализ цепей с идеальными ОУ

Для упрощения анализа цепей с операционными усилителями вводят понятие идеального ОУ. Иными словами, при расчетах ОУ рассматривают как идеальный схемный элемент, имеющий следующие свойства:

1) Бесконечно большой коэффициент усиления напряжения: ;

2) Нулевые входные токи ( );

3) Нулевое выходное сопротивление ( );

4) Идеальный ОУ является безынерционным элементом, т.е. отклик на изменение входных сигналов является мгновенным.

При расчете цепей с идеальными ОУ, работающими в линейном режиме, удобно использовать следующие правила:

1. Входные токи ОУ равны нулю: .

2. Напряжение на входе ОУ равно нулю: (правило виртуального короткого замыкания).

Сформулированные правила значительно упрощают расчет цепей с ОУ. Следует помнить, что правило виртуального короткого замыкания справедливо только в том случае, если ОУ охвачен отрицательной обратной связью и его выходное напряжение меньше напряжения насыщения.

Рассмотрим простейшие функциональные узлы на основе ОУ.
Инвертирующий усилитель. Схема инвертирующего усилителя напряжения показана на рис. 5.3. Поскольку ОУ охвачен отрицательной обратной связью, дифференциальное напряжение , и усилитель находится в линейном режиме. Учитывая, что входные токи ОУ равны нулю, получим:

.

Выходное напряжение

.

Таким образом, схема на рис. 5.3 является инвертирующим усилителем напряжения, коэффициент передачи которого

.

Рис. 5.3

Инвертирующим усилитель на рис. 5.3 называют потому, что входное и выходное напряжения находятся в противофазе. Входное сопротивление инвертирующего усилителя

.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется сопротивлением резистора . Если необходим большой коэффициент усиления, отношение сопротивлений резисторов и должно быть велико. Однако уменьшение сопротивления приведет и к уменьшению входного сопротивления.
Независимая регулировка входного сопротивления и коэффициента усиления возможна в схеме с Т-образной цепью обратной связи (рис. 5.4).

Рис. 5.4

Коэффициент усиления схемы на рис. 5.4

.

Коэффициент усиления схемы можно регулировать с помощью резисторов и . При этом входное сопротивление по-прежнему определяется резистором

Неинвертирующий усилитель. Схема неинвертирующего усилителя напряжения показана на рис. 5.5. Как и в предыдущих случаях, ОУ охвачен отрицательной обратной связью и работает в линейном режиме. Поскольку входные токи идеального ОУ равны нулю, токи резисторов одинаковы:

.

Рис. 5.5

При выводе последнего выражения мы учли, что дифференциальное напряжение . Выходное напряжение

Итак, схема на рис. 5.5 представляет неинвертирующий усилитель напряжения, коэффициент передачи которого

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя очень велико. За счет влияния ООС оно значительно превышает входное сопротивление ОУ.

Коэффициент усиления схемы на рис. 5.5 не может быть меньше единицы. В предельном случае, когда выход ОУ соединен накоротко с инвертирующим входом, , и коэффициент усиления напряжения . Такую схему называют повторителем напряжения. Их выпускают серийно в виде интегральных схем. В каждом корпусе могут быть размещены несколько повторителей.

Суммирующий усилитель. Схема суммирующего усилителя (сумматора) показана на рис. 5.6.

ОУ охвачен отрицательной обратной связью, поэтому . Выходное напряжение . В соответствии с первым законом Кирхгофа .

Рис. 5.6

Входные токи

, .

      Выходное напряжение равно взвешенной сумме входных напряжений

.

Рассмотренную цепь называют инвертирующим сумматором или суммирующим усилителем. Она находит широкое применение в различных электронных устройствах, например цифроаналоговых преобразователях (ЦАП).

Операционные усилители позволяют реализовать большое количество устройств, выполняющих операции обработки аналоговых сигналов.

Предварительный расчет

1. Схема инвертирующего усилителя показана на рис.5.3. Сопротивления резисторов: R1 = 1 кОм, R2 = 100 кОм. Напряжение насыщения ОУ равно 15 В. Требуется:
1. Определить коэффициент усиления схемы.
2. Рассчитать выходное напряжение, если напряжение на входе усилителя равно:
1. 0.1 В
2. - 0.1 В
3. 1 В

2. Схема неинвертирующего усилителя показана на рис. 5.5. Сопротивления резисторов: R1 = 1 кОм, R2 = 9 кОм. Напряжение насыщения ОУ равно 15 В. Необходимо:

1. Определить коэффициент усиления схемы.

2. Рассчитать выходное напряжение, если напряжение на входе усилителя принимает значения:

a. 1 В

b. -1 В

c. 5 В

3. Результаты расчетов записать в отчет.

Порядок выполнения работы

1. Исследование инвертирующего усилителя.
1. Собрать схему инвертирующего усилителя (5.7).
2. Включить на входе источник VPULSE. Установить атрибуты источника: DC = 0, AC = 1V, V1 = 0, V2 = 1V, TD = 1us, TR = 1ns, TF = 1ns, PW = 100us, PER = 200us.

Рис. 5.7

1. В режиме AC Sweep построить и скопировать в отчет амплитудно-частотную характеристику усилителя. По графику АЧХ определить частоту среза.
2. В режиме Transient получить и скопировать в отчет графики входного и выходного напряжений. Определить скорость нарастания выходного напряжения.

1. Исследование неинвертирующего усилителя на основе ОУ.
1. Собрать схему неинвертирующего усилителя (рис. 5.8).
2. Включить на входе источник VPULSE. Установить атрибуты источника: DC = 0, AC = 1V, V1 = 0, V2 = 1V, PW = 100us, PER = 200us.
3. Повторить п. 1.3 – 1.4. Результаты моделирования записать в отчет.

Рис. 5.8

1. Сравнить характеристики исследованных схем. Выводы записать в отчет.

Контрольные вопросы и задания

• Почему в качестве измерительных используют усилители с дифференциальным входом?
• Какие недостатки имеет схема измерительного усилителя на рис. 5.6?
• Как определяются дифференциальный и синфазный сигналы.
• Какие элементы схемы определяют входное сопротивление инвертирующего усилителя?
• Каково входное сопротивление неинвертирующего усилителя?
• По результатам проведенных экспериментов сравните полосу пропускания инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Лабораторная работа №6

Тема работы:RC-генератор с мостом Вина

Цель работы:Исследование условий возникновения незатухающих колебаний в RC-генераторе; изучение влияния параметров пассивной цепи на частоту колебаний.