Операционный усилитель, охваченный обратной связью




3.1.Инвертирующий усилитель

 

Схема инвертирующего усилителя изображена на рис. 5. Чтобы получить выражение для выходного напряжения в схеме с обратной связью будем считать, что используется высоко-качественный усилитель с полным входным сопротивлением, приблизи-тельно равным бесконечности. Можно составить два уравнения – одно, суммирующее токи на входе усилителя, а второе, связывающее входное и выходное напряжения усилителя:

 
 

Разрешив уравнения относительно Uвых, получим:

 
 

 
 

При типичном значении Кд порядка 104 …105 вторым членом в знаменателе можно пренебречь и выражение для Uвых упростить:

Коэффициент усиления с обратной связью этой схемы равен

 
 

Напряжение непосредственно на инвертирующем входе Uд = Uвых / Кд≈ 0, т.е. R1 и Rо.с. действуют как делитель напряжения между Uвых и Uвх, и |Uвых / Uвх| = Rо.с./ R1. Точку соединения R1 и Rо.с. часто называют точкой виртуальной массы (земли), потому что из-за малости Uд её потенциал почти равен потенциалу земли. В силу этого входное полное сопротивление схемы инвертирующего усилителя равно R1, а выходное – практически нулю. Сопротивления R1 и Rо.с. при заданном Ко.с. должны выбираться достаточно большими (десятки и сотни килоом), чтобы соответственно не нагружать источник напряжения Uвх и выход операционного усилителя.

 

3.2. Неинвертирующий усилитель

 

Операционный усилитель включается как неинвертирующий усилитель по схеме рис. 6. Благодаря отрицательной обратной связи и большой величине Кд дифференциальное напряжение Uд стремится к нулю, в результате чего напряжение UR1 на резисторе R1 практически равно Uвх. R1 и Rо.с. действуют как делитель напряжения, поэтому можно записать:

 

Коэффициент усиления с обратной связью этой схемы равен

 
 

Полное входное сопротивление всей схемы равно бесконечности, так как единственным путём для тока между входом и землёй является полное входное сопротивление ОУ. Выходное сопротивление близко к нулю.

Если положить сопротивление резистора R1 равным бесконечности, а сопротивление Rо.с. – нулю, то получится схема повторителя напряжения (рис. 7). Коэффициент усиления этой схемы равен единице, входное сопротивление бесконечно большое, выходное равно нулю. Эта схема реализует те же буферные функции, что и эмиттерный повторитель, однако в отличие от последнего в повторителе напряжения отсутствует разность потенциалов между входом и выходом.

 

3.3. Усилитель с дифференциальным входом

 

Схема этого усилителя приведена на рис. 8.

Если U2 = 0, то усилитель по отношению к напряжению U1 действует как инвертирующий, поскольку оба конца делителя напряжения R2 - R'о.с. заземлены, и входной ток через неинвертирующий вход не протекает. Для выходного напряжения имеем:

 
 


Если U1 = 0, усилитель действует как неинвертирующий усилитель для напряжения Uн, величина которого зависит от U2 и соотношения сопротивлений плеч делителя напряжения R2 - R'о.с.. Для выходного напряжения имеем:

 

Если оба напряжения U1 и U2 подаются одновременно, то выходное напряжение установится таким, что напряжение на инвертирующем входе Uи станет равным напряжению Uн (дифференциальным напряжением Uд ввиду его малости можно пренебречь), а не нулю, как было бы в случае обычного инвертирующего усилителя.

 
 

Выведем уравнение для выходного напряжения для этого случая. Вследствие того, что ОУ имеет очень высокое входное сопротивление, токи в R1 и Rо.с. равны. Поэтому можно записать:

 

 
 

Разрешая уравнение относительно Uвых, получаем:

 

 
 

Так как Uи = Uн, подставим вместо Uи выражение для Uн и получим окончательную формулу для выходного напряжения Uвых в зависимости от величины и знака входных напряжений U1 и U2:

 

 
 

В случае, когда R1 = R2 и Rо.с. = R'о.с., получим:

 

Лабораторная установка

 

Лабораторная установка представляет собой макетную панель, подключаемую к внешнему источнику питания с напряжениями постоянного тока +15 и –15 В и переменного тока с напряжением 6,3 В и частотой 50 Гц. В макетную панель вмонтированы операционный усилитель К140УД7 и набор постоянных и переменных резисторов. Постоянные резисторы имеют класс точности 1,0, требуемые значения сопротивлений переменных резисторов устанавливаются самим эксперимента-тором по цифровому омметру класса точности 1,0. Выводы операционного усилителя и резисторов подсоединены к гнёздам коммутационного поля.

Интегральный операционный усилитель – сложное и, можно сказать, очень нежное микроэлектронное изделие, которое легко разрушить неумелым обращением. При работе с интегральным операционным усилителем надо соблюдать следующие простые правила.

1) Нельзя подавать напряжения питания на усилитель с неправильной полярностью.

2) Нельзя подавать слишком большое дифференциальное напряжение, например, нельзя один вход ОУ заземлить, а на другой подать напряжение питания любой полярности.

3) Нельзя даже кратковременно допускать замыкание выхода на землю или любой из источников питания.

4) Нельзя делать переключения в схеме при включённом питании.

 

Выполнение работы

1. Компенсация напряжения сдвига нуля ОУ.

Для компенсации напряжения сдвига нуля ОУ к выводам 1 и 5 ОУ подключите концы потенциометра 10 кОм, движок потенцио-метра пока ни с чем не соединяйте. По рис. 5 соберите схему инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления Ко.с. = 10, рассчитав требуемые значения сопротивлений резисторов R1 и Rо.с., вход которой заземлите. Измерьте выходное напряжение усилителя и запишите его величину. Вычислите напряжение сдвига нуля до компенсации по формуле Uсдв = Uвых / Ко.с..

Соедините движок потенциометра с источником питания ОУ –15 В. Перемещайте движок потенциометра, пока выходное напряжения не станет равным нулю, скомпенсировав тем напряжение сдвига нуля.

При последующем исследовании других схем этот потенцио-метр должен быть подключён, а его движок оставаться в найденном положении.

 

2. Исследование инвертирующего усилителя.

Отсоедините вход собранной схемы инвертирующего усилителя с установленным расчётным путём коэффициентом усиления Ко.с. = 10 от земли и измерьте коэффициент усиления сначала на постоянном токе, а затем на переменном. Для этого на вход схемы с одного из делителей напряжения надо подать напряжение порядка полувольта. На постоянном токе определите полярность входного и выходного сигналов. Совпадает ли измеренное значение коэффициента усиления с расчётным значением Ко.с. = – Rо.с. / R1 ?

Измените в 10 раз номиналы обоих резисторов в той же схеме при сохранении Ко.с. = 10 и повторите опыты. Объясните полученные результаты.

Вычислите величину R1 для получения коэффициента усиления Ко.с. = 20 при Rо.с. = 200 кОм и соберите схему. Плавно изменяя входное напряжение от нуля в отрицательную и в положительную стороны и измеряя Uвых, постройте зависимость Uвых от Uвх вплоть до насыщения, аналогичную зависимости, показанной на рис. 2. Найдите значения Uвых.мин. и Uвых.макс. для экземпляра К140УД7, установленного в макетной панели.

 

3. Исследование неинвертирующего усилителя.

Вычислите величину R1 для получения коэффициента усиления неинвертирующего усилителя 11 при Rо.с. = 500 кОм. Соберите схему по рис. 6 с этими значениями Rо.с. и R1 и измерьте её коэффициент усиления на постоянном токе. Определите и сравните между собой полярности входного и выходного напряжений.

Вычислите значения Rо.с. и R1 для получения коэффициентов усиления 10 и 100 и соберите соответствующие схемы по рис. 6. Измерьте в этих схемах коэффициент усиления на постоянном и переменном токе и сравните его с теоретическим. Зарисуйте на переменном токе осциллограммы входного и выходного напряжений. Объясните искажения формы выходного напряжения, наблюдающиеся на осциллограммах, при значительных входных напряжениях.

 

4. Исследование повторителя напряжения.

Соберите схему повторителя напряжения по рис. 7. На постоянном и на переменном токе получите зависимость Uвых от Uвх во всём диапазоне выходного напряжения. Зарисуйте и опишите по осциллограммам форму сигналов переменного тока на входе и на выходе схемы.

Вместо перемычки между выходом усилителя и инвертиру-ющим входом поставьте резистор сопротивлением 30 кОм и вновь получите зависимость Uвых от Uвх на переменном или на постоянном токе и сравните с уже полученной зависимостью.

 

 

5. Исследование дифференциального усилителя.

Соберите схему согласно рис. 8, установив Rо.с.=R'о.с.=100 кОм и R1 = R2 = 10 кОм. Проверьте для неё правильность компенсации напряжения сдвига нуля, заземлив оба входа, если нужно, подкорректируйте движком потенциометра 10 кОм. По приве-дённым формулам вычислите, а затем измерьте выходное напряжение Uвых два раза: при U1 = + 0,2 В и U2 = – 0,3 В и при U1 = + 0,2 В и U2 = + 0,3 В.

Вычислите Rо.с. и R'о.с. чтобы получить Uвых = 20(U2 – U1) при R1 = R2 = 10 кОм. Соберите схему с вычисленными сопротив-лениями и измерьте Uвых при U1 = + 0,1 В и U2 = – 0,1 В.

Вычислите значение R2, чтобы при R1 = 10 кОм, Rо.с.= 100 кОм и R'о.с.= 30 кОм выходной сигнал Uвых был вдвое больше по отно-шению к U1, чем по отношению к U2, т.е. чтобы коэффициент при U1 в формуле для Uвых был вдвое больше коэффициента при U2. Соберите схему с заданными значениями R1, Rо.с., R'о.с. и вычисленным значением R2 и проверьте результат измерением.

Оформление отчёта

Отчёт должен содержать:

1) принципиальные схемы собранных исследуемых усили-телей, расчёты к ним, опытные данные и графики;

2) по каждому из усилителей сравнение результатов измерений с результатами, предсказанными теоретически, и с анализом причин расхождений, если они есть.

 

Контрольные вопросы

1. Чему равны коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления идеального операционного усилителя?

2. Что такое напряжение сдвига нуля и чем оно вызвано в усилителе на биполярных транзисторах?

3. Нарисовать схемы для измерения коэффициента ослабления синфазного сигнала.

4. Нарисовать схемы инвертирующего, неинвертирующего, дифференциального усилителей и повторителя напряжения.

5. Нарисовать схемы для компенсации напряжения сдвига в этих схемах.

6. Написать формулы для расчёта коэффициента усиления с обратной связью для перечисленных выше схем.

7. Доказать возможность или невозможность построения дифференциального усилителя, у которого выходной сигнал был бы вдвое больше по отношению к U2 чем к U1.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-12-29 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: