Лабораторная работа 1
Инвертирующий и неинвертирующий операционный усилитель.
Собственный коэффициент усиления операционного усилителя.
Теоретическое введение
Операционный усилитель (ОУ) представляет собой интегральный усилитель с дифференциальным высокоомным входом, низкоомным выходом и большим коэффициентом усиления по напряжению. Прибор нормально работает с глубокими отрицательными обратными связями (ООС), при которых усилительные свойства практически полностью определяются обратными связями (ОС), и даже существенные вариации коэффициента усиления ОУ K'u практически не сказываются на выходном сигнале. Наиболее распространены две схемы включения ОУ с ООС: инвертирующий усилитель (ИУ) и неинвертирующий усилитель (НУ).
ИУ изображен на рис. 1
 |
ООС почти полностью компенсирует сигнал на входе ОУ, и напряжение U'вх очень мало. Поэтому считаем, что Uвх представляет собой напряжение на R1, а Uвых – на Rос. Так как входной ток очень мал, токи, протекающие в сопротивлениях R1 и Rос, практически равны, а
. (1)
НУ изображен на рис. 2
 |
ОС подается на инвертирующий вход через делитель R1, R2, а сигнал – на неинвертирующий. Рассуждая аналогично предыдущему, принимаем:
U'вх –> 0;
Uвх – напряжение на R2;
Uвых – напряжение на R1 и R2;
. (2)
Если взять R1 = 0 (короткое замыкание), то Ku = 1. Имеем аналог эмиттерного повторителя.
Особенностью НУ является высокоомный вход, так как входная цепь ОУ не шунтируется цепями ОС. Это позволяет использовать усилитель при работе с высокоомным генератором сигнала.
ОУ не имеет разделительных конденсаторов и способен осиливать низкие частоты вплоть до постоянного тока. В отсутствие сигнала на входе выходное напряжение должно быть равно нулю, однако практически компенсация напряжений не бывает полной, и небольшое постоянное напряжение на выходе (напряжение сдвига) может существовать. Если сигнал представляет собой переменное напряжение, то это небольшое постоянное смещение несущественно. Однако, при измерении малых постоянных напряжений оно может заметно искажать результат. В этих случаях прибегают к компенсации сдвига. Компенсирующее напряжение подаётся на вход от специального источника, и величина его тщательно подбирается для каждого ОУ.
ОПИСАНИЕ МАКЕТА
 |
На рис. 3 изображена схема макета, который используется в данной работе.
Макет позволяет реализовать ИУ и НУ, согласно схемам на рис. 1 и 2. Для ИУ неинвертирующий вход заземляется тумблером П5 у гнезда Вход+, а на инвертирующий через соответствующее сопротивление 1,5 к или 15к (П1) подаётся сигнал (гнездо Вход- тумблер П4).
Для НУ сигнал подаётся на гнездо Вход+ (неинвертирующий вход). В любом случае коэффициент усиления определяется соотношением сопротивлений в цепи ООС, согласно формулам 1 и 2. Резисторы цепи ОС выбираются переключателями 1 и 2 (положения 1-4).
Предусмотрена возможность определения собственного коэффициента усиления ОУ K'u (без обратной связи). В связи с очень высоким коэффициентом усиления непосредственное включение ОУ без ОС приводит к самовозбуждению, вызываемому даже очень слабыми паразитными ОС или, чаще, к запиранию операционного усилителя из-за неточного выбранной рабочей точки. K'u можно было бы измерить в схеме рис. 1, принимая:
. (3)
Однако при таком способе пришлось бы измерять очень малое напряжение U'вх (порядка десятых милливольта), что технически затруднительно, особенно рядом с большим напряжением, создающим наводки на вход, поэтому применяется схема рис. 4.
 |
Как и схема на рис. 1, она представляет собой ИУ, стабильность которого обеспечивается ООС (сопротивление R2). Особенность схемы в том, что в неё включён делитель напряжения, состоящий из резисторов R3 и R4. Так как R3 >> R4, напряжение Uдел оказывается гораздо больше U'вх, и его измерение не составляет затруднений. Величина U'вх определяется соответственно:
. (4)
В макете схема (рис. 4) реализуется, когда переключатель П2 включается в положение 6. Входной сигнал при этом подаётся на гнездо ВхКу. Видно, что R1=R2=R3=680 кОм и R4=6,8 кОм. Следовательно, Uвх=0.01Uдел. Измерив Uдел и Uвых, легко определить
. (5)
ОУ смонтированы в специальных колодках, что обеспечивает удобство их смены. В макет введён источник регулируемого постоянного смещения для компенсации напряжения сдвига.
Параллельно сопротивлению ОС можно подключать конденсаторы ёмкостью от 12 до 300 пФ (переключатель П3). При выполнении работы 1 эти конденсаторы не используются (переключатель П3 в положении 1). Только в случае возникновения генерации с тем или иным усилителем можно включить небольшую ёмкость для обеспечения устойчивости.
Выполнение лабораторной работы.
Внимание! Вставлять и вынимать колодки только при ВЫКЛЮЧЕННОМ питании макета.
1) Наблюдение напряжения сдвига и его компенсации. Включить макет по схеме инвертирующего усилителя. Заземлить оба входа. С помощью чувствительного индикатора напряжения (можно осциллограф с открытым входом @) убедиться в наличии небольшого напряжения на выходе ОУ. Проверить, влияет ли на это напряжение переключение сопротивлений переключателем П1. Включить компенсирующее напряжение. Для этого неинвертирующий вход А подключить к гнезду Вх+ переключателем П5 и на это гнездо подать смещение с помощью однополюсной вилки. Регулируя компенсирующее напряжение, добиться нулевого напряжения на выходе.
2) Изучение инвертирующего усилителя. Путём соответствующей коммутации реализовать на макете схему инвертирующего усилителя. Измерить коэффициенты усиления с использованием различных сопротивлений на входе (1,5к и 15к) и в цепи ОС (15к, 150к и 1,8м) – всего 6 комбинаций. При измерениях для уменьшения ошибок здесь и далее использовать на входе и выходе один и тот же прибор (электронный вольтметр или осциллограф), подключая его попеременно. Обязательно тщательно контролировать отсутствие нелинейных искажений (по форме выходного сигнала), так как при перегрузке коэффициент усиления ОУ резко падает. Сопоставить измерения с расчётами по формуле 1.
3) Изучение неинвертирующего усилителя. Включить макет по схеме неинвертирующего усилителя. Измерить и сопоставить с расчётом по формуле 2 коэффициенты усиления при различных сопротивлениях делителя в цепи ОС (8 комбинаций, включая положение 1-4 переключателя П2).
4) Убедиться, что неинвертирующий усилитель обладает высокоомным входом. Включить между генератором и входом усилителя сопротивление 100к. Убедиться, что это почти не изменяет значение выходного напряжения.
5) Измерить собственный коэффициент усиления ОУ K'u при f=80 Гц, 500 Гц и 5 кГц. Для этого включить схему на рис. 4 (положение 6 переключателя П2). Сигнал подаётся на клемму ВхКу, измеряется на выходе и гнезде Uдел (ВыхКу). Подавать сигнал синусоиды напряжением от 2 до 5 вольт. Учитывать при измерении на гнезде Uдел то, что усилитель ещё усиливает, и пульсации источника питания (их размах на клеммах питания менее 3 мВ). Это паразитное усиление накладывается на полезный сигнал и бывает иногда сравнимо по размаху со слабым сигналом исследуемой синусоиды на гнезде Uдел. Это ограничение частично уменьшает точность измерения собственного коэффициента усиления, и он получается меньше, чем указано в паспортных данных.
6) Проверка стабилизирующего действия ООС. Выключить питание. Сменив колодку, включить в схему ОУ другого типа. Включить питание.
Повторить измерения собственного коэффициента усиления K'u, а также коэффициентов усиления с ОС в схеме ИУ и НУ. Можно выполнять измерения не для всех комбинаций сопротивлений, а только по 2 для каждого включения ОУ: с самой сильной и самой слабой ОС. Сопоставить с результатами аналогичных измерений с другим ОУ. Убедиться, что хотя собственные коэффициенты усиления весьма различны, ОС приводит усиление практически к одной и той же величине.
Вопросы по теме " Инвертирующее и неинвертирующее включение операционного усилителя":
1) Объяснить смысл выражения "интегральный усилитель с дифференциальным входом".
2) Типичные значения коэффициента усиления операционного усилителя KU 104-105, реально используется коэффициент до 102, реже –103. Зачем нужен такой избыток по усилению?
3) Высокий коэффициент усиления операционного усилителя означает, что для работы в аналоговом режиме (без захода в нелинейную область) необходимо очень малое значение напряжения на его входе (виртуальный ноль). Как это достигается?
4) Что такое инвертирующий и неинвертирующий входы усилителя?
5) Нарисовать схему инвертирующего и неинвертирующего включения операционного усилителя. Сравнить их выходные сопротивления. Какая схема пригодна, если выходное сопротивление генератора, с которого подается сигнал Ri а) порядка нескольких Ом;
б) порядка нескольких сотен кОм?
6) Почему собственный коэффициент усиления операционного усилителя не измеряют непосредственно? Объяснить метод измерения, применённый в лабораторной работе.