Исследование операционного усилителя

Исследование операционного усилителя

Цель работы: ознакомление со схемами включения и характеристиками операционного усилителя.

Приборы и оборудование:

– персональный компьютер;

– программа схемотехнического моделирования «Electronics Workbench».

Краткие теоретические сведения.

Операционным усилителем (ОУ) – называют усилитель постоянного тока, имеющий дифференциальный вход и общий выход, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными сигналами в схемах с обратными связями.

В настоящее время ОУ, изготовленные по интегральной технологии, являются самыми универсальными и массовыми элементами, а благодаря разнообразным внешним обратным связям позволяют создавать устройства самого различного функционального назначения (усилители, сумматоры, компараторы, фильтры, дифференциаторы, интеграторы и т.д.).

Операционный усилитель показан на рис. 1.

Рис. 1. Изображение ОУ

На рисунке 1 у ОУ имеется 5 линий проводников:

1. U_{1 -} неинвертирующий вход;

2. U₂ - инвертирующий вход;

3. +U_вых – выход;

4. +U_пит - положительный вывод питания;

5. - U_пит - отрицательный вывод питания.

Типичные схемы включения ОУ с отрицательной обратной связью имеют коэффициент усиления от 10 до 1000, тогда как коэффициент усиления ОУ без обратной связи находится в диапазоне от 10⁵ до 10⁷. Если обратная связь положительна, усилитель переходит в режим генерации, т.е. становится автогенератором.

Наиболее распространенной схемой включения ОУ является схема, показанная на рисунке 2.

Рис. 2. Инвертирующий усилитель на ОУ

Резистор R₂ в цепи обратной связи служит для передачи части выходного сигнала обратно на вход. При подаче входного напряжения (U₁) через резистор R₁ протекает входной ток i₁. Напомним, что входное напряжение ОУ (DU) имеет дифференциальный характер, т.е. фактически это разность напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах усилителя. Неинвертирующий вход чаще всего заземляют. Чтобы получить передаточную характеристику, учтем тот факт, что потенциал U₁ практически равен нулевому потенциалу.

Входная цепь: i₁=U₁/R₁, выходная цепь: i₂=-U₂/R₂

Т.к. ОУ - идеальный (R_вх - очень большое): i₁ = -i₂, откуда U₁/R₁=U₂/R₂

Коэффициент усиления:

k_ус=-U₂/U₁=-R₂/R₁.

Тогда выходное напряжение будет равно:

U₂=-(R₂/R₁)U₁

Отношение номинальных значений резисторов R₂/R₁ называется коэффициентом передачи усилителя, охваченного обратной связью, а знак минус означает, что выходной сигнал инвертирован. Следует обратить внимание, что коэффициент усилителя, охваченного обратной связью, можно установить посредством выбора сопротивлений двух резисторов, R₁ и R₂.

Если в усилителе, охваченном отрицательной обратной связью через резисторы R₁ и R₂, напряжение подавать на не инвертирующий вход, как показано на рисунке 3, то мы получим неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления

k _ус = 1 + R₂/R₁.

Рис. 3. Неинвертирующий усилитель

Схема сумматора сигналов представлена на рис. 4. Учитывая знаки напряжений, получим такую функцию преобразования:

U₂ = (R₂ / R₁)U₄ - (R₂ / R₁)U₃ - (R₂ / R₃)U₂ - (R₂ / R₄)U₁

Рис. 4. Сумматор на ОУ

Ход работы: