Тема: Исследование инвертирующей схемы включения операционного усилителя

Цель работы:

 

Изучение принципа работы, основных параметров и характеристик операционного усилителя (ОУ), исследование инвертирующей схемы включения ОУ.

 

Теоретические сведения

 

Исследуемый усилитель называется операционным потому, что он может использоваться для выполнения различных математических операций над сигналами: алгебраического сложения, вычитания, умножения на постоянный коэффициент, интегрирования, дифференцирования, логарифмирования и т.д. Современный ОУ выполняется на базе интегральной микросхемы операционного усилителя, к выводам которой присоединяются источники питания, входных сигналов, сопротивление нагрузки, цепи обратной связи (ОС), коррекции частотных характеристик ОУ и другие цепи.

ОУ - это усилитель постоянного тока, имеющий большой коэффициент усиления по напряжению. Для получения возможности усиливать разнополярные сигналы ОУ запитывают, обычно симметричным, двухполярным источником питания.

На рисунке 4.1 показано условное обозначение ОУ с одним выходом и двумя входами: прямым и инверсным. Инверсный вход обозначают знаком инверсии (кружком) или помечают знаком "-". Прямой вход не имеет знака инверсии или его помечают знаком "+".

В общем случае на входные выводы ОУ подаются либо синфазный сигнал U_сф, величина которого определяется по формуле (4.1), либо дифференциальный сигнал, который определяется по формуле (4.2).

 

U_сф = (U_вх1 + U_вх2)/2, (4.1)

 

где U_сф – напряжение синфазного сигнал, В;

U_вх1 – напряжение на прямом входе, В;

U_вх2 – напряжение на инверсном входе,В.

 

U_диф = U_вх1 - U_вх2 (4.2)

 

где U_диф. – напряжение дифференциального сигнала, В.

 

Рисунок 4.1- Условное обозначение ОУ

 

ОУ предназначен для усиления небольшого разностного (дифференциального) сигнала. Синфазный сигнал схемой ОУ должен быть максимально ослаблен. Выходное напряжение U_вых находится в фазе (синфазно) с напряжением на входе "+" U_вx1 и противофазно напряжению на входе "-" U_вх2.

На рисунке 4.2 приведены амплитудные характеристики ОУ.

Рисунок 4.2- Амплитудные характеристики ОУ

 

4.1.1 Инвертирующий усилитель

 

В схеме на рисунке 4.3 входной сигнал подается на инвертирующий

вход ОУ, а его неинвертирующий вход заземлен

Рисунок 4.3 – Схема инвертирующего усилителя

 

Усилитель называется инвертирующим, так как выходное напряжение U_вых инвертировано по отношению к входному напряжению U_вх. Отрицательная обратная связь создается с помощью резисторов R2, R1 (параллельная ООС по напряжению).

Коэффициент усиления напряжения К_uос схемой инвертирующего ОУ определяется по формуле (4.3)

 

К_uос = -R2/R1. (4.3)

 

Если R2 = R1, то К_uос = -1 и ОУ становится инвертирующим повторителем напряжения, у которого U_вых = -U_вх.

Входное сопротивление R_вх инвертирующего ОУ определяется по формуле (4.4)

.

R_вх = R1, (4.4)

Выходное сопротивление R_вых определяется по формуле (4.5)

 

R_вых = R_{вых оу} /(1 + К_оу / К_uос) (4.5)

 

Для компенсации различия входных токов в схему введен резистор R3, который рассчитывается по формуле (4.6)

 

R3 = R1*R2/(R1+R2) (4.6)

 

Подготовка к работе

 

4.2.1 Изучить принцип работы, параметры, характеристики, схемы включения и возможности применения ОУ.

4.2.2 Определить входное, выходное сопротивления и коэффициент усиления инвертирующего усилителей для заданных преподавателем значений параметров исследуемых схем.

4.2.3 Нарисовать схему исследуемого усилителя.

4.2.4 Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

 

План работы

 

4.3.1 Собрать схемы двух источников питания и генератора синусоидальных колебаний согласно рисункам 4.4 и 4.5.

Рисунок 4.4 – Схема генератора синусоидальных колебаний

 

Рисунок 4.5 – Схема источников питания

 

4.3.2 Собрать схему инвертирующего усилителя, представленную на рисунке 4.6

	Рисунок 4.6 – Инвертирующее включение ОУ

4.3.3. Подать на вход усилителя постоянное напряжение не более 1В от источника ИПН1 (выходное напряжение ИПН1 регулируется резистором R2). Замерить с помощью цифрового вольтметра выходное напряжение и рассчитать коэффициент усиления схемы К^’_uос по
формуле (4.7).

 

К^’_uос = - R₃₅/R₃₇ (4.7)

 

4.3.4. Снять и построить амплитудную характеристику усилителя, изменяя напряжение от источника ИПН1 от 0 до U_{вх max} при котором усилитель входит в насыщение. Определить значение U_{вых нас.} исследуемого ОУ. Входное и выходное напряжения замеряются цифровым вольтметром.

Результаты записать в таблицу 4.1

 

Таблица 4.1 Амплитудная характеристика усилителя

 

Uвх (В)		0,5		1,5
Uвых (В)
Ku ос

 

4.3.5. Подать на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой

f = 1кГц и амплитудой не более 1В от генератора ГС1.Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений.

4.3.6. Подать на вход усилителя сигнал с амплитудой более

U_вх._max и зарисовать осциллограмму выходного напряжения. Пояснить полученный результат.

4.3.7 Снять и построить амплитудно-частотную характеристику усилителя при U_вх = 1В, изменяя частоту входного сигнала
от 10 Гц до 2 МГц. Результаты оформить в таблице 4.2.

 

Таблица 4.2 - Амплитудно-частотная характеристика усилителя

 

F(Гц)		102	103	104	105	5*105	106	2*106
Uвх (В)
Uвых(В)
Ku ос

 

4.3.8 Сравнить результаты практического исследования схем на ОУ с теоретическими (сравнить К^’_u.ос и K_u.ос) и сделать выводы.

 

4.4 Контрольные вопросы

 

4.4.1 Охарактеризуйте назначение, параметры, характеристики и особенности применения ОУ.

4.4.2 Сравните схемы усилителей на ОУ по основным параметрам.

4.4.3 Охарактеризуйте инвертирующий повторитель напряжения и приведите его схему.

4.4.4 Нарисуйте амплитудно-частотную характеристику ОУ и

поясните ее.

4.4.5 Как осуществляется и для чего предназначена коррекция

частотных характеристик ОУ?

4.4.6. Чем определяется максимальное выходное напряжение U_вых ОУ?

Лабораторная работа №10