Краткие теоретические сведения. Исследование операционного усилителя

Лабораторная работа № 4

Исследование операционного усилителя

Цель работы: ознакомление с характеристиками операционного усилителя и применение его в качестве масштабного усилителя, избирательного усилителя и генератора.

Краткие теоретические сведения

Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель с большим коэффициентом усиления (K_U = 10⁴...10⁶) и входного сопротивления (R_вх = 10⁴...10⁹ Ом), имеющий непосредственные связями, применяемый в основном в качестве ак­тивного элемента в схемах с обратными связями. При достаточном коэффици­енте усиления операционного усилителя по напряжению передаточная характе­ристика устройства вместе с цепями обратной связи может являться функцией только параметров цепей обратной связи, не зависящих от усилителя.

В настоящее время ОУ являются основой аналоговой техники и используются для преобразования электрических сигналов в широком диапазоне частот: от 0 до 10⁵...10⁷ Гц.

Современные ОУ выполняются в виде полупроводниковых интегральных микросхем. Принципиальные схемы интегральных ОУ содержат, как правило, несколько каскадов усиления напряжения, причём входной каскад всегда выполняется по дифференциальной схеме, а выходной – по схеме эмиттерного повторителя. Кроме того, схема содержит цепи согласования каскадов между собой и цепи защиты от перегрузок.

ОУ имеет два входа – инвертирующий и неинвертирующий и один выход.

В данной работе исследуются ОУ на микросхеме К284УД1, цоколёвка и условное графическое изображение которой показаны на рис. 1.

Назначение выводов К284УД1:

1 – неинвертирующий вход; 13 – инвертирующий вход, 8 – выход; 10, 7 – «+» и «-» напряжения питания; 3, 11 – балансировка; 5 – частотная коррекция;, 15, 12 – «общий»; 2, 4, 14 – внешнее управление.

Основные электрические параметры микросхемы К284УД1:

KU	при f = 1000 Гц > 20000;
Rвх	при f = 1000 Гц > 5 МОм;
Rвых	при f = 1000 Гц < 200 Ом;

На основе ОУ могут быть реализованы устройства, выполняющие самые различные операции, например, инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель, избирательный усилитель, интегратор, дифференциатор, компаратор, генераторы импульсов различных форм и гармонических колебаний и многое другое. Выполнение ОУ указанных аналоговых операций осуществляется благодаря использованию различных внешних обратных связей (ОС), как положительных (ПОС), так и отрицательных (ООС).

В настоящей работе исследуются три схемы включения ОУ: инвертирующий усилитель, избирательный усилитель и автогенератор колебаний гармонической формы.

На рис. 2 приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя. Резисторы R₁ и R₂ передают часть выходного напряжения усилителя на его инвертирующий вход, образуя цепь отрицательной ОС по напряжению. Наличие цепи ООС приводит к уменьшению коэффициента усиления, но стабильность работы возрастает. Коэффициент усиления данного усилителя определяется по формуле K_U = -R₂/R₁. Знак «-» говорит об инвертировании сигнала, K_U не зависит от свойств ОУ и частоты сигнала, поэтому такой усилитель часто называют «масштабным».

Для создания на основе ОУ избирательного усилителя необходимо охватить его частотно-избирательной цепью ООС, коэффициент передачи которой β = U_ос/U_вых в узкой полосе частот снижается практически до нуля.

Широкое применение в таких усилителях низкой и средней частоты нашёл двойной Т-образный мост, схема и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого показаны на рис. 3.

На очень низких частотах (f → 0), коэффициент передачи моста β → 1, так как сопротивления конденсаторов становятся очень большими и всё напряжение почти без потерь передаётся через «верхний» одинарный мост R-2C-R. На сравнительно высоких частотах сопротивления конденсаторов малы и всё напряжение передаётся через «нижний» одинарный мост C-R/2-C на выход, следовательно, и в этой области частот β → 1. На квазирезонансной частоте f₀ = коэффициент передачи моста β → 0.

Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи ООС и его АЧХ приведены на рис. 4.

В данной схеме независящая от частоты цепь ООС R₁-R₂ определяет величину K_Umax и стабилизирует работу усилителя. Цепь ООС с двойным Т-образным мостом обеспечивает избирательные свойства усилителя. При условии R₁ « R обе цепи ОС практически независимы.

Если частота входного сигнала близка к f₀, то цепь ООС с двойным Т-образным мостом оказывается практически разорванной (β = 0), в схеме действует только ООС, созданная резисторами R₁-R₂, и коэффициент усиления достигает своего максимального значения K_Umax = -R₂/R₁. На всех других частотах β цепи с мостом стремится к 1, поэтому в схеме действует глубокая ООС, что приводит к резкому уменьшению коэффициента усиления усилителя.

Для создания генератора на основе ОУ необходимо существование положительной ОС (ПОС). В схеме генератора, приведённой на рис. 5, ПОС создаётся резисторами R₃, R₄.Поскольку данный автогенератор содержит частотно-избирательную цепь – двойной Т-образный мост, то условия самовозбуждения: баланс амплитуд kβ ≥ 1 и баланс фаз φ_ус + φ_ос = 0 (φ_ус и φ_ос – сдвиг фаз в усилителе и в цепи ОС соответственно) – будут выполняться только на одной – квазирезонансной – частоте f₀.

Следовательно, возникающие колебания будут гармоническими.