Схемы с операционными усилителями

Схемы с операционными усилителями

Цель работы: Изучение схем применения операционных усилителей Теоретические сведения:

Операционный усилитель (ОУ) — это интегральная аналоговая микросхема, в состав которой входят несколько транзисторных усилительных каскадов. Типичный операционный усилитель имеет инвертирующий и неинвертирующий входы и, как правило, один выход. Кроме того операционный усилитель имеет выводы для подключения двухполярного питания. Некоторые типы операционных усилителей имеют также специальные выводы для установки нуля выходного напряжения, для подключения внешних элементов частотной коррекции и электронной регулировки коэффициента усиления. Основными параметрами операционного усилителя являются диапазон напряжения питания, входное и выходное сопротивление, частотный диапазон и скорость нарастания выходного напряжения, максимальная амплитуда выходного напряжения и максимальное значение выходного тока.

Операционные усилители характеризуются также уровнем собственных шумов и величиной температурного дрейфа выходного напряжения. Более подробные сведения об операционных усилителях приведены в литературе [4].

Примеры условных обозначений операционных усилителей показаны на рис. 7.1.

Рис. 7.1 Примеры условных графических обозначений операционных усилителей

Для выполнения лабораторных работ предусмотрено применение виртуального операционного усилителя, параметры которого могут контролироваться и корректироваться при помощи функции «properties». Принятие идеальных параметров виртуального ОУ позволяет значительно упростить все расчетные формулы, используемые при проектировании и моделировании различных функциональных узлов. При этом, в программном пакете «Multisim» предусмотрено, что виртуальный ОУ уже подключен к двухполярному источнику питания.

Операционные усилители почти всегда используются с отрицательной обратной связью (ООС). Для реализации ООС выход ОУ через резистор подключают к его инвертирующему входу. Схема инвертирующего усилителя (рис. 7.2) содержит два резистора R1 и R2, которые определяют коэффициент усиления усилителя.

K = R2 / R1 (7.1).

Рис. 7.2 Схема инвертирующего усилителя

Величины сопротивлений R1 и R2 обычно выбирают не более 200 кОм, иначе может ухудшиться стабильность работы каскада.

Для реализации схемы неинвертирующего усилителя напряжение входного сигнала подают на неинвертирующий вход (рис. 7.3а).

Рис. 7.3 Схема неинвертирующего усилителя

Коэффициент усиления такой схемы составит:

K = 1+ (R2 / R1) (7.2).

В частном случае, когда выход ОУ непосредственно подключается к инвертирующему входу, а входной сигнал подается на неинвертирующий вход (рис. 7.3б), получаем схему повторителя сигналов с коэффициентом усиления К=1. Высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление позволяют применять эту схему в качестве буферного каскада.

Реализацию дифференциального (вычитающего) каскада может обеспечить схема, приведенная на рис. 7.4.

Рис. 7.4 Схема дифференциального каскада

При R1= R2 = R3 = R4 выходное напряжение этой схемы будет определяться соотношением.

Uвых = U2 — U1 (7.3).

На рис. 7.5 приведена схема аналогового инвертирующего сумматора.

Выходное напряжение такого сумматора, при выполнении условия.

R1 = R2 = R3 = R4, равно сумме входных напряжений, взятой с обратным знаком:

Uвых = - (U1 + U2 + U3) (7.4).

Выполнение работы:

1. Для выполнения лабораторной работы в соответствии с заданным вариантом, выбрать необходимые параметры из табл.7.1.

Табл. 7.1.

• 2. Для схемы инвертирующего усилителя, приведенной на рис. 7.2, произвести расчет величины сопротивления обратной связи R2 по заданным К и R1.
• 3. Собрать схему инвертирующего усилителя и получить осциллограммы входных и выходных напряжений. Определить при помощи маркеров величину коэффициента усиления.
• 4. Для схемы неинвертирующего усилителя, приведенной на рис. 7.3, произвести расчет величины сопротивления обратной связи R2 по заданным К и R1.
• 5. Собрать схему неинвертирующего усилителя, получить осциллограммы входных и выходных напряжений. Определить при помощи маркеров величину коэффициента усиления.
• 6. Собрать схему дифференциального каскада (рис. 7.4), измерить мультиметром значение выходного напряжения, которое должно соответствовать формуле (7.3).
• 7. Собрать схему сумматора (рис. 7.5), измерить мультиметром значение выходного напряжения, которое должно соответствовать формуле (7.4).

Контрольные вопросы

усилитель операционный сигнал сумматор

• 1. Как называются входы операционного усилителя?
• 2. Какое значение для фазы выходного сигнала имеет выбор входа операционного усилителя?
• 3. Какова минимальная рабочая частота операционного усилителя?
• 4. Каким образом задается коэффициент усиления простого операционного усилителя, не имеющего специальных входов управления усилением?
• 5. Какие факторы определяют максимальную амплитуду выходного сигнала?
• 6. Что такое частота единичного усиления?
• 7. Какой временной параметр определяет быстродействие операционного усилителя?