Краткие теоретические сведения
Исследуемый усилитель называется операционным потому, что он может использоваться для выполнения различных математических операций над сигналами. Операционным часто называют усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления, охваченный цепью отрицательной обратной связи ООС, определяющей основные качественные показатели и характер выполняемых усилителем операций.
Современные ОУ выполняется на базе интегральной микросхемы операционного усилителя ИМС ОУ, к выводам которой, кроме цепи ООС, присоединяются источники питания, входных сигналов, сопротивление нагрузки, цепи коррекции частотных характеристик ОУ в интегральном исполнении и другие цепи.
ОУ - это усилитель постоянного тока УПТ, его амплитудно-частотная характеристика не имеет завала в области низких частот, поскольку ОУ не содержит разделительных конденсаторов. Для того, чтобы в отсутствие входных сигналов потенциал выхода можно было привести к нулю (к потенциалу земли), питание ОУ делают двухполярным и обычно симметричным (например, +_ 12,6 В).
На рис.1 показано условное обозначение ОУ с одним выходом и двумя входами: прямым и инверсным. Инверсный вход 2 обозначают знаком инверсии (кружком) или помечают знаком "-". Прямой вход не имеет знака инверсии или его помечают знаком "+". В общем случае на входные выводы ОУ 1 и 2 поступают напряжения общего вида. Из них выделяют синфазный Uсф = (Uвх1 + Uвх2)/2 и дифференциальный Uдиф = (Uвх1 + Uвх2) сигналы (рис.2).
+Еп
U
Uвх1
Uдиф
Uвх1
-Еп Uвых Uвх2
Uвх2
Uсф t
 |  |
Рисунок 1 Рисунок 2
В зависимости от того, на какие входы ОУ воздействуют входные сигналы, различают три схемы включения ОУ в интегральном исполнении: инвертирующие, неинвертирующие и дифференциальные.
В схеме неинвертирующего ОУ (см. рис. 3) входной сигнал подается на неинвертирующий вход ИМС ОУ, а на его инвертирующий вход с помощью делителя выходного напряжения (R1, R2) подается напряжение ООС Uоос = Uвых R2 / (R1 + R2). В схеме действует последовательная ООС по напряжению, глубина которой определяется формулой:
βоос = R2 / (R1+ R2),
а дифференциальное напряжение, приложенное к ИМС ОУ, будет равно:
Uдиф = Uвх – Uоос.
Так как коэффициент усиления напряжения ИМС ОУ Ku ≈ ∞, то Uдиф ≈ 0 и
Uвх ≈ Uоос = Uвых R2 / (R1 + R2).
Тогда коэффициент усиления напряжения схемой неинвертирующего ОУ определится по формуле:
Ku = (R1 + R2) / R2 = 1 + R1 / R2 = 1 / βоос.
Рисунок 3
Приборы и оборудование
Таблица 1
| Наименование | Тип | Кол-во | Технические характеристики |
| Вольтметр Источник питания Макет ОУ Осциллограф Реостат Генератор | В7-16 МСБП-1 Учебный С1-68 РПШ-0,6 Г3-111 | 100 кОм; 100 В 12,6 В; 0…6 В универсальный (К140УД1Б) 0,6 А; 500 Ом 20…100 Гц |
Порядок выполнения работы
1. Собрать на макете схему неинвертирующего ОУ (рис.3, макет - рис.4), точно измерить сопротивления резисторов R1 (на макете R7), R2 (на макете R3).
Рассчитать глубину отрицательной обратной связи βоос и коэффициент усиления напряжения схемы Ku оу (расчет). Результаты измерений и вычислений занести в табл. 2.
2. Включить макет усилителя подачей двухполярного напряжения питания +- 12 В.
Подать на вход 10 ИМС от источника постоянное напряжение Uвх = 0,2…0,5 В (для плавной регулировки входного напряжения необходимо воспользоваться делителем напряжения с помощью реостата). Измерить выходное напряжение Uвых и рассчитать коэффициент усиления Ku (опыт).
Результаты измерения и вычисления занести в табл. 2. Сравнить расчетные и опытные значения коэффициента усиления Ku оу.
Таблица 2
| Сопротивления резисторов, кОм | Глубина ООС βоос | Напряжения, В | Ku оу | ΔКU, % | |||
| R1 (R7) | R2 (R3) | Uвх, В | Uвых, В | расчет | опыт | ||
3. Подать на вход 10 ИМС от генератора переменное напряжение Uвх = 0,5…0,7 В Снять и затем построить АЧХ ОУ в области низких частот. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 3.
Таблица 3 Uвх = ….. В
| Параметры | Частота генератора, Гц | |||
| Uвых, В | ||||
| Ku |
Содержание отчета по работе
1. Наименование и цели лабораторной работы.
2. Таблица оборудования и измерительных приборов.
3. Функциональная схема неинвертирующего операционного усилителя (рис.3).
4. Таблицы измерений и вычислений.
5. Амплитудно-частотная характеристика ОУ в области нижних частот.
5. Сравнение математической и реальной реализации операции усиления.
6. Краткие ответы на контрольные вопросы.
7. Краткие выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Что называют операционным усилителем?
2. Какова причина использования двухполярного питания ОУ?
3. Почему АЧХ ОУ не имеет «завала» на нижних частотах?
Литература
1. А.К.Криштафович, В.В.Трифонюк. Основы промышленной электроники. - М: Высшая школа, 1985.
2. Б.С.Гершунский. Основы электроники и микроэлектроники. - Киев: Выща школа, 1989.
3. Н.А.Авваев, Ю.Е.Наумов, В.Т.Фролкин. Основы микроэлектроники. - Москва: Радио и связь, 1991.
