Тема: Исследование неинвертирующей схемы включения операционного усилителя

Цель работы:

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

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 5.1 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 согласно формуле (5.1), либо дифференциальный сигнал по
формуле (5.2), .

U_сф= (U_вх1 + U_вх2)/2, (5.1)

где U_сф – напряжение синфазного сигнала, В;

U_вх1 – напряжение на прямом входе , В;

U_вх2 – напряжение на инверсном входе,В.

U_диф = U_вх1 - U_вх2 (5.2)

где U_диф. – напряжение дифференциального сигнала, В.

Рисунок 5.1 - 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 5.2 приведены амплитудные характеристики ОУ.

5.1.1 Неинвертирующий усилитель

В схеме неинвертирующего усилителя, показанного на рисунке 5.3, входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на его инвертирующий вход с помощью делителя выходного напряжения, выполненного на резисторах R1, R2, подается напряжение отрицательной обратной связи ООС, которое можно определить по формуле (5.3).

U_оос = U_вых*R2/(R1 + R2) (5.3)

где U_вых - выходное напряжение, В;

R1, R2 – сопротивление нагрузки, Ом.

В схеме действует последовательная ООС по напряжению.

Рисунок 5.3 - Схема неинвертирующего усилителя

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя К_uос определяется по формуле (5.4).

К_uос = 1 + R1/R2 (5.4)

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя R_вх определяется по формуле (5.5).

R_вх = R_вх.оу * (1+К_оу/К_uос) (5.5)

где R_{вх оу} – входное сопротивление ОУ, Ом;

К_оу – коэффициент усиления ОУ.

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя R_вых определяется по формуле (5.6).

R_вых = R_вых.оу/(1+К_оу / К_uос) (5.6)

где R_{вых оу} – выходное сопротивление ОУ, Ом

При выполнении условия R1 = 0 или R2 = ¥ ОУ будет выполнять функцию практически идеального повторителя напряжения, у которого коэффициент усиления неинвертирующего усилителя К_uос=1, а U_вых=U_вх.

Подготовка к работе

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

5.2.2 Определить входное, выходное сопротивление и коэффициент усиления, не инвертирующего усилителей для заданных преподавателем значений параметров исследуемых схем.

5.2.3 Нарисовать схему исследуемого усилителя.

5.2.4 Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

План работы

5.3.1. Собрать схему генератора синусоидальных колебаний и источника постоянного тока, представленных на рисунках 5.4 и 5.5.

Рисунок 5.4 – Генератор синусоидальных колебаний

Рисунок 5.5 – Схема источника постоянного тока

5.3.2. Собрать схему неинвертирующего усилителя, представленную на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 - Неинвертирующий усилитель на ОУ

5.3.3 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 по формуле (5.7).

К^’_uос = 1 + R₃₅/R₃₇ (5.7)

5.3.4 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 напряжение насыщения U_{вых.нас}. исследуемого ОУ. Входное и выходное напряжения замеряются цифровым вольтметром. Результаты записать в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 - Амплитудная характеристика усилителя

Uвх (В)		0,5		1,5		2,5
Uвых (В)
Kuос

5.3.5 Подать на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой
f = 1кГц и амплитудой не более 1В от генератора ГС1. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений.

5.3.6. Подать на вход усилителя сигнал с амплитудой более U_{вх max} и зарисовать осциллограмму выходного напряжения. Пояснить полученный результат.

5.3.7 Снять и построить амплитудно-частотную характеристику усилителя при U_вх = 1В, изменяя частоту входного сигнала от 10 Гц до
2 МГц. Результаты занести в таблицу 5.2.

Таблица 5.2- Амплитудно-частотная характеристика усилителя

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

5.3.8 Сравнить результаты практического исследования схем на ОУ с теоретическими (сравнить К^’_uос и K_{u ос} ) и сделать выводы.

5.4 Контрольные вопросы

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

5.4.2 Сравните схемы усилителей на ОУ по основным параметрам.

5.4.3 Охарактеризуйте не инвертирующий и инвертирующий повторители напряжения и приведите их схемную реализацию.

5.4.4 Нарисуйте амплитудно-частотную характеристику ОУ и поясните ее.

5.4.5 Как осуществляется и для чего предназначена коррекция частотных характеристик ОУ?

5.4.6 Чем определяется максимальное U_вых ОУ?

Лабораторная работа №11