ЛР №1. Определение параметров ОУ

Цель работы: на примере заданного операционного усилителя ознакомиться с основными параметрами ОУ и научится их измерять. Сравнить полученные параметры с паспортными данными исследуемого ОУ, вычислить абсолютные и относительные погрешности, сделать выводы о точности измерений и оценить качество эксперимента.

Некоторые определения

Рис. 1.1. Обозначение ОУ.

Операционный усилитель (ОУ) — это универсальное усилительное устройство, первоначально предназначавшееся для выполнения линейных математических операций в аналоговых вычислительных машинах.

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с высоким коэффициентом усиления (обычно порядка 10⁵÷10⁶), дифференциальным (реагирующем на разность) входом и малыми значениями напряжения смещения нуля и входных токов [1, 4].

Промышленность выпускает сейчас сотни типов ОУ; условное обозначение, принятое для всех типов, представлено на рис. 1.1: выход обозначен 1, входы 2,3  определяют полярность сигнала (−)(+ соответственно).

Работают ОУ следующим образом: выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (−), и наоборот. Символы «+» и «−» не означают, что на одном входе потенциал всегда должен быть более положительным чем на другом. Во избежание путаницы вход 3 (+) называют инвертирующим, а вход 2 (−) — неинвертирующим.

Схема включения операционного усилителя приведена на рис. 1.2.

Абсолютные значения напряжений U₊ и U₋ ограничены напряжениями питания U_пит+ и U_пит−. Обычно номинальные значения последних составляют ±12-15 В. При этом размах колебаний обоих входных и выходного напряжений также симметричен в обеих полярностях и обычно перекрывает диапазон ±10 В.

ОУ чувствителен к разности входных напряженийи не зависит от их абсолютных значений. Из этого свойства вытекает введение двух понятий: синфазного напряжения U_синф. для общей составляющей напряжений на обоих входах, которая должна быть подавлена усилителем, и дифференциального входного напряжения U_д., на которое усилитель реагирует. Согласно обозначениям рис. 1.2 можно записать:

                                                (1.1)

[1]                                                  (1.2)

Рис. 1.2. Включение операционного усилителя.

Рис. 1.3. Линейная модель операционного усилителя.

Рассмотрим как работает операционный усилитель, положив основные его параметры линейными, то есть зависящими от входного напряжения линейно. Линейная модель ОУ приведена на рис. 1.3.

Назначение каждого из параметров линейной модели (рис.1.3) следующее:

· U_синф/X  —источник напряжения, описывающий усиление синфазного сигнала операционным усилителем.  

· X — коэффициент ослабления синфазного сигнала.

·  U_см —значение дифференциального входного напряжения при нулевом синфазном входном напряжении, которое соответствует нулевому выходному напряжению в отсутствии нагрузки [1]. Иными словами, это напряжение, которое образуется на инвертирующем входе операционного усилителя, когда его входы заземлены. Происходит это вследствие не симметричности его входов и внутренних шумов ОУ.

·  R₋ и R₊ —внутреннее сопротивление неинвертирующего и инвертирующего входов усилителя синфазному сигналу.

·  I_см+ и I_см− —значение тока неинвертирующего и инвертирующего входа, которое при нулевом синфазном входном напряжении соответствует нулевому выходному напряжению в отсутствии нагрузки.

· R_д. —входное сопротивление усилителя для дифференциального сигнала.

·  A/E_д     —источник напряжения, описывающий усилительные свойства для дифференциального сигнала.

·  A — коэффициент усиления дифференциального сигнала.

·  R_вых—выходное сопротивление усилителя.

Проанализируем данную модель с учетом соотношения:

.                            (1.3)

Входной ток на неинвертирующем входе равен по первому закону Кирхгофа:

.

Учтя соотношение (1.3), получим:

,            (1.4)

где R₋||R_д — означает параллельное соединение резисторов R₋ и R_д.

Входной ток на неинвертирующем входе равен:

                        (1.5)

И, наконец, входное напряжение равно

             (1.6)

Формулы (1.4)-(1.6) представляют линейную модель операционного усилителя, описывающую связь между входными и выходными значениями.

В отсутствие нагрузки падение напряжения на R_вых равно нулю. Условие равенства нулю выходного напряжения ведет к нулевому внутреннему напряжению E_д и к нулевому току в резисторе R_д между обоими входами внутри схемы. Заземление неинвертирующего входа приравнивает к нулю зависящий от синфазного напряжения источник U_синф/X и токи через резисторы R₋ и R₊. Таким образом, соответствующие значения дифференциальнго входного напряжения и входных токов в соответствии с их определениями равны:

U_д = U_см, I₋=I_см−, I₊=I_см+                                                  (1.7)

Для упрощения анализа схем на ОУ оказывается полезным ввести понятие идеального ОУ. Будем называть идеальным ОУ с нулевым дифференциальным входным напряжением и нулевыми входными токами при любом уровне выхода и любом синфазном напряжении на входе [1]. Оказывается, такой ОУ будет обладать рядом замечательных свойств:

1) коэффициент усиления по напряжению:

                                                  (1.8)

стремиться к бесконечности, так как

2) имеет нулевое напряжение смещения нуля U_см;

3) имеет нулевые входные токи по обоим входам;

4) коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю;

5) имеет мгновенный отклик на изменение входных сигналов.