Типовые схемы включения операционных усилителей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Институт  - ИК

Направление  - Программное обеспечение вычислительной техники

Кафедра - Компьютерных измерительных  систем и метрологии

 

 

«Типовые схемы включения операционных усилителей»

 

Отчет по лабораторной работе № 1

 

 

 

 

 

Студент гр. -----       -------

 

Проверил доцент        Ю.М. Фомичев

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск – 2012 

Цель работы:

• овладеть методикой экспериментального определения основных параметров и характеристик инвертирующего усилителя;
• освоить методику расчета основных параметров инвертирующего усилителя;
• понимать процессы в инвертирующем включении ОУ

 

Краткие сведения по подготовке к лабораторной работе.

 

ОУ обладают большим коэффициентом  усиления по напряжению, поэтому они  усиливают как малые полезные сигналы (микровольты) так и собственные шумы и наводки. Основной причиной, по которой коэффициент усиления ОУ делают большим, является обеспечение высокой стабильности его параметров при использовании глубокой отрицательной обратной связи (ООС).

В зависимости от вида ООС различают  инвертирующие и не инвертирующие включения ОУ. Данная лабораторная работа посвящена исследованию инвертирующего включения ОУ.

Важнейшие правила, которые определяют поведение ОУ, охваченного петлей ООС, они справедливы почти для  всех случаев:

 

Правило 1

Выход операционного  усилителя стремится к тому, чтобы дифференциальное напряжение (разность между напряжением на инвертирующем и неинвертирующем входах) было равно нулю.

 

Правило 2

Входы ОУ не потребляют тока.

 

Правило 3

Выход ОУ близок к источнику ЭДС.

 

Таким образом, ОУ является источником ЭДС, управляемым ЭДС на входе.

Первое правило реализуется  за счет обратной связи. Т.е. напряжение передается с выхода на вход таким  образом, что разность потенциалов  становится равной нулю.

 

 

Инвертирующий операционный усилитель

В инвертирующем усилителе (рисунок 1) входной сигнал и сигнал обратной связи противоположного знака суммируются с помощью резисторов R₁ и R₂. Такая обратная связь называется параллельной по входу. Что касается обратной связи по выходу, то она является по напряжению, так как напряжение обратной связи

U_ОС = b_ОС U_ВЫХ

при пропорционально U_ВЫХ.

Зная вид обратной связи  и помня правила 1 и 2, можно определить основные параметры инвертирующего усилителя - коэффициент усиления, входное  и выходное сопротивления.

Воспользуемся вышеперечисленными правилами для получения формулы коэффициента усиления.

1. Потенциал точки А равен потенциалу точки В и также равен потенциалу земли. Поэтому в литературе точку А называют «виртуальная земля», «квазиземля» или «виртуальный нуль», «квазинуль».
2. Тогда U_R1 = U_ВХ, а U_R2 = U_ВЫХ.
3. Согласно правилу 2 и первому закону Кирхгофа получим                         

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя 

Еще проще можно найти входное  сопротивление усилителя. Так как  U_А =0, то R_ВХ = R₁.

Не столь наглядно определяется выходное сопротивление. В этом случае следует воспользоваться постулатами  теории обратной связи: если по выходу ООС по напряжению, то выходное сопротивление  инвертирующего усилителя равно

R_ВЫХ = R_{ВЫХ ОУ} / (1 + К_У b_ОС),

где R_{ВЫХ ОУ} - выходное сопротивление ОУ, К_У – коэффициент усиления ОУ.

 

Рисунок 1

Экспериментально полученные данные

 

E1=15 В      R1=10 кОм     R2=100 кОм
Uвх,В	0	0.3	0.5	0.7	0.9	1.1	1.2	1.4	1.6	2.0
Uвых, В	0	-3.00	-4.87	-6.87	-8.69	-10.70	-11.55	-13.31	-13.31	-13.31
К	0	-10.00	-9.74	-9.81	-9.66	-9.72	-9.62	-9.51	-8.20	-6.65

 

E1=-15 В      R1=10 кОм     R2=100 кОм
Uвх,В	0	-0.3	-0.5	-0.7	-0.9	-1.1	-1.2	-1.4	-1.6	-2.0
Uвых, В	0	2.90	4.90	6.79	8.77	10.80	11.59	13.56	14.31	14.31
K	0	-9.66	-9.8	-9.7	-9.74	-9.82	-9.66	-9.69	-8.94	-7.15

 

Рисунок 2

― Неинвертирующие включение

― Инвертирующие включение

 

E1=15 В      R1=10 кОм     R2=10 кОм
Uвх,В	0	0.3	0.5	0.7	0.9	1.1	1.2	1.4	1.6	2.0
Uвых, В	0	-0.3	-0.5	-0.7	-0.9	-1.1	-1.2	-1.4	-1.6	-2.0
К	0	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1

 

E1=-15 В      R1=10 кОм     R2=10 кОм
Uвх,В	0	-0.3	-0.5	-0.7	-0.9	-1.1	-1.2	-1.4	-1.6	-2.0
Uвых, В	0	0.3	0.5	0.7	0.9	1.1	1.2	1.4	1.6	2.0
K	0	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1

 

Рисунок 3

 

 

E1=15 В      R1=10 кОм     R2=1 кОм
Uвх,В	0	0.3	0.5	0.7	0.9	1.1	1.2	1.4	1.6	2.0
Uвых, В	0	0	-0.02	-0.04	-0.06	-0.08	-0.1	-0.11	-0.13	-0.15
К	0	0	-0.07	-0.08	-0.09	-0.09	-0.09	-0.09	-0.09	-0.09

 

E1=-15 В      R1=10 кОм     R2=1 кОм
Uвх,В	0	-0.3	-0.5	-0.7	-0.9	-1.1	-1.2	-1.4	-1.6	-2.0
Uвых, В	0	0	0.03	0.05	0.07	0.09	0.11	0.12	0.14	0.16
K	0	0	-0.1	-0.1	-0.1	-0.1	-0.1	-0.1	-0.1	-0.1

 

 

Рисунок 4

 

 

Неинвертирующий операционный усилитель

Неинвертирующий усилитель является второй базовой схемой усилителя на основе ОУ. Основное применение такого усилителя – построение усилителя со сравнительно большим входным сопротивлением и без инверсии входного напряжения. Такие свойства неинвертирующего усилителя во многом обусловлены использованием последовательной ООС по напряжению. В отличие от инвертирующего включения рассматриваемый усилитель  в типовом включении содержит три резистора (рисунок 5), из которых R₃ необходим для обеспечения режима работы входного каскада ОУ по постоянному току. Наличие R₃ приводит к ограничению максимального входного сопротивления неинвертирующего усилителя: R_ВХ = R₃.  Значение сопротивления R₃ варьируется в пределах десятки кОм – десятки МОм в зависимости от того, какие транзисторы – биполярные или полевые – используются во входных каскадах ОУ. Заметим, что при работе неинвертирующего усилителя в режиме усилителя постоянного тока от источника входного сигнала с гальванической связью нет необходимости в R₃. Тогда входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется в основном синфазным входным сопротивлением Z_СФ ОУ и может достигать величины порядка 10¹² Ом и выше. Однако с увеличением частоты из-за частотозависимости Z_СФ и входной емкости ОУ входной импеданс неинвертирующего усилителя уменьшается.

Для получения выражения  коэффициента усиления воспользуемся  правилами, приведенными выше. Согласно первому правилу U_ВХ = U_А. Из второго правила следует

Тогда коэффициент  усиления неинвертирующего усилителя 

Как видно из выражения, на основе неинвертирующего включения ОУ  нельзя выполнить операционный делитель. Это сужает функциональные возможности  неинвертирующего ОУ.

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется аналогично как и для инвертирующего включения, так как в обоих случаях ООС по выходу – по напряжению.

Существенным достоинством неинвертирующего усилителя является возможность  получения большого значения коэффициента усиления практически независимо от входного сопротивления.

Рисунок 5

Экспериментально полученные данные

 

E1=15 В      R1=10 кОм     R2=100 кОм
Uвх,В	0	0.3	0.5	0.7	0.9	1.1	1.2	1.4	1.6	2.0
Uвых, В	0	3.22	5.43	7.41	9.62	11.75	12.74	14.31	14.31	14.31
К	0	10.73	10.86	10.59	10.69	10.68	10.62	10.22	8.94	7.15

 

E1=-15 В      R1=10 кОм     R2=100 кОм
Uвх,В	0	-0.3	-0.5	-0.7	-0.9	-1.1	-1.2	-1.4	-1.6	-2.0
Uвых, В	0	-3.29	-5.44	-7.51	-9.68	-11.57	-12.91	-13.32	-13.32	-13.31
K	0	10.97	10.88	10.73	10.76	10.52	10.76	9.51	8.32	6.66