Основные теоретические положения. 3.1 Понятие операционный усилитель

3.1 Понятие операционный усилитель

Под операционным усилителем в микроэлектронике понимают реализованный в виде микросхемы усилитель постоянного тока, имеющий:

· высокий коэффициент усиления по напряжению;

· высокое входное сопротивление;

· низкое выходное сопротивление.

Операционный усилитель имеет дифференциальный вход и несимметричный выход (рис. 1). Входные и выходные сигналы отсчитываются относительно общего провода, который на схемах иногда не показывают.

Рассмотрим передаточную характеристику операционного усилителя (рис. 1), которая представляет собой зависимость выходного напряжения U_ВЫХ от входного напряжения U_ВХ при несимметричном входе. В зависимости от того, какой вход соединяется с общим проводом, а на какой вход подается входное напряжение, различают передаточную характеристику при инвертирующем включении операционного усилителя и передаточную характеристику при неинвертирующем включении операционного усилителя.

При малых входных напряжениях U_ВХ передаточные характеристики

линейны, затем рост выходного напряжения U_ВЫХ замедляется.

3.2 Основные параметры операционных усилителей

- коэффициент усиления по напряжению K_U.

- напряжение смещения U_СМ – напряжение, которое необходимо подать на вход операционного усилителя, чтобы его выходное напряжение стало равным нулю.

- максимальное выходное напряжение U_{ВЫХ,МАКС}.

- входной ток I_ВХ, входное сопротивление.

- коэффициент ослабления синфазного сигнала K_ОС.СФ – отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Обычно выражается в децибелах.

3.3 Коэффициенты передачи ОУ

При преобразовании аналоговых сигналов используется три основных схемы включения ОУ. Каждая из схем может выполнять определенные функции с заданным коэффициентом передачи.

3.3.1 Инвертирующая схема включения рисунок 2 (коэффициент передачи имеет символ К_И).

Под действием входного напряжения U_ВХ течет ток I₁ = U_ВХ/R1, под действием напряжения U_ВЫХ течет ток I₂ = U_ВЫХ/R2. Учитывая, что R_ВХ → ∞, токи равны и коэффициент усиления
К_И = U_ВЫХ/U_ВХ = – R2/R1. (1)

Знак минус говорит лишь о том, что фаза
выходного напряжения смещается на 180^о по отношению к входному напряжению. В частности, при R2 = R1 К_И = – 1. При таком включении ОУ является инвертирующим повторителем напряжения.

Можно записать U_ВЫХ = – К_И·U_ВХ, т.е. выполняется операция умножения аналогового сигнала на постоянный коэффициент, называемая операцией масштабирования. При К_И > 1 – усиление, К_И < 1 – ослабление сигнала.

3.3.2 Неинвертирующая схема включения рисунок 3.

Имеем I₁·R1 = – U_ВХ, I₂·R2 = U_ВХ – U_ВЫХ. После преобразований получим К_Н = 1 + (R2/R1). (2)

В частности, при R2 = 0 К_Н = 1.

3.3.3 Суммирующая схема включения рисунок 4.

При подаче входных напряжений на входы С и D по резисторам потекут токи I₁ и I₂, пропорциональные величине сопротивления резисторов
I₁ = U_ВХ1/R2, I₂ = U_ВХ2/2R2, I₃ = U_ВЫХ/R2. Если сопротивления одинаковые, то К_И = -1.

U_ВЫХ = -1(U_ВХ1 + U_ВХ2). (3)

Выполняется арифметическая операция суммирования двух аналоговых сигналов.

3.3.4 Усилитель с дифференциальным входом рисунок 5.

На вход подается два напряжения U_И и U_Н. Воспользуемся методом суперпозиции и определим выходные напряжения под действием этих напряжений.

U_ВЫХи = – U_И(R2/R1). U_ВЫХн = U_Н [R4/(R4 + R3)][1 + (R2/R1)].

U_ВЫХд = U_ВЫХи – U_ВЫХн = [R4/(R4 + R3)][1 + (R2/R1)] – (R2/R1).
При R3 = R1, а R4 = R2,

U_ВЫХд = – (R2/R1)(U_И – U_Н),

т.е. выполняется операция вычитания двух аналоговых сигналов.

К_Д = U_ВЫХд /(U_И – U_Н) = – (R2/R1) (4)

Порядок выполнения работы

4.1 Подготовка к работе

Соберите схему инвертирующего усилителя рисунок 2.

Усилитель находится в группе Analog Iсs . Выбрать ОУ, имеющий пять выводов для подключения источников питания (рис. 2). Активизировать ОУ, откроется закладка с моделями, в окне слева выбрать модель (например, lm1xx), активизируется окно справа. В нем выбрать ОУ, указанный в варианте. Нажать кнопку Edit и записать значение коэффициента усиления ОУ и предельную величину напряжения источников питания. Закрыть окно Edit, нажать Display, отключить «галочку» Use Schematic, далее «ОК».

Величины остальных элементов схемы находятся в таблице 3 приложения.

Напряжение источников питания V3 и V4 установить равным 12 В.

Внимание. Эти источники питания подключены к ОУ разной полярности.

4.2 Определение характеристик и параметров ОУ

4.2.1 Инвертирующее включение ОУ

Установить напряжение на входе U_ВХ = V2 = + 0.2 В.

Внимание. Если на входе подключено напряжение положительной полярности, то выходное напряжение должно иметь отрицательную полярность.
Если это не так, то изменить полярность подключения вольтметра М2.

- Снимите амплитудную (передаточную) характеристику усилителя
U_Н = ƒ(V2).

Для этого напряжение V2 изменять от нуля до 1.2 вольта через 0.2 вольта и записывать напряжение на выходе U_ВЫХ в протокол.

Переключить точку U_ВХ к точке "А", т.е. на вход подается сигнал отрицательной полярности. Продолжить амплитудную характеристику для отрицательного напряжения на входе.
Результаты измерений записать в таблицу 1.
Определить входное сопротивление усилителя.

Установить такое напряжение на входе, чтобы на выходе получилось 5 В.

Измерить входной ток I₁ (М1) и вычислить R_ВХ = U_ВХ/I_ВХ.

UВЫХ

Рис.2. Схема исследования инвертирующего усилителя

- Установить R2 = R1. Измерить выходное напряжение и вычислить коэффициент усиления усилителя K_И = U_ВЫХ/U_ВХ (= M2/V2).

Установить начальное значение сопротивления R2.

4.2.2 Неивертирующая схема включения усилителя

Соберите схему исследования неинвертирующего усилителя рисунок 3.

- Получить передаточную характеристику усилителя.

Для этого напряжение U_ВХ изменять от - 1 вольта до + 1 вольта, записывая

напряжение на выходе (М2). Результаты внести в таблицу 1 строка 3.

- Определить входное сопротивление усилителя по неинвертирущему входу при напряжении на входе равным 0,6 вольта.

- Отключить сопротивление R1 (R1 → ∞), измерить выходное напряжение и определить коэффициент передачи усилителя.

Рис. 3. Схема исследования неинвертирующего усилителя

Табл. 1. Результаты измерений.

V1,2 [B]

…

-0,2

+0,2

…

Инв.

UВЫХ [B]

+12

-12

Неинв.

UВЫХ [B]

4.2.3 Схема включения для суммирования аналоговых сигналов

(Преобразователь «двоичный код – напряжение»).

Собрать схему рис. 4. 2∙R2 означает, что это сопротивление в два раза больше сопротивления R2.

Подключить резистор 8∙R2 (точка А) к источнику – V1. Установить напряжение V1 таким, чтобы напряжения на выходе усилителя оказалось равным
0,5 В. Записать это значение в таблицу 2 строка 1.

Рис. 4. Суммирующий усилитель

Переключить соединение к точке В, измерить выходное напряжение и записать результат в таблицу 2 строка 2.

Подключить к источнику V1 также вход А, значение выходного напряжения записать в строку 3 (№2). Далее коммутация входов происходит согласно таблицы. “1” означает подключение входа к источнику V1, “0” – соответствующий вход не подключен. В таблице указаны десятичные числа и эквивалентный им двоичный код. Разряд 1 соответствует младшему разряду и подключается к входу А. «Вес» младшего разряда составляет 0,5 В.

Табл. 2. Таблица двоичных кодов.

№	Разряд кода	UВЫХ
4 (D)	3 (С)	2 (В)	1 (А)
					0,5

Разряд 8 – старший разряд подключается к входу D.

4.2.4 Дифференциальный усилитель

Соберите схему дифференциального усилителя согласно рисунку 5.
Установить сопротивление R3 = R1, сопротивление R4 = R2.

Источники V1 и V2 переменного тока частота 1000 Гц.

Вольтметр М1 перевести в режим измерения переменного тока (АС).

Рис. 5. Дифференциальная схема включения

Установите напряжение источника синфазного сигнала V2 равным нулю, входное дифференциальное напряжение усилителя V1_~ U_ВХд = 500 мВ.

Определите коэффициент усиления по дифференциальному сигналу K_Uддля чего измерьте выходное напряжение усилителя U_ВЫХ (вольтметр М1). Рассчитайте коэффициент усиления по напряжению K_Uд = U_ВЫХ/U_ВХ. Сравните полученное значение с расчетным.

Определите коэффициент передачи синфазного сигнала K_U.СФ , для чего установите входное синфазное напряжение усилителя V2_~ U_ВХ.СФ = 500 мВ (источник V2) и нулевое дифференциальное напряжение (источник V1 = 0). Измерьте выходное напряжение усилителя U_ВЫХ (вольтметр М1).

Рассчитайте коэффициент передачи синфазного сигнала
K_U.СФ = U_ВЫХ / U_ВХ.СФ.

Рассчитайте коэффициент ослабления синфазного сигнала

K_ОС.СФ = 20 lg(K_Uд / K_U.СФ ) [дБ].

Установите входное дифференциальное напряжение усилителя
U_ВХ = 500 мВ (источник V1), U_ВХ.СФ = 500 мВ (источник V2). Включите осциллограф и посмотрите форму выходного напряжения.

Содержание отчета

Отчет должен включать:

1. Цель работы;

2. Экспериментально полученные параметры усилителя (коэффициент усиления, R_ВХ);

3. Результаты экспериментального исследования схем включения ОУ;

4. Графики характеристик для каждой из схем;

5. Графики характеристик для схем рис. 2, 3 построить в одних координатах;

6. График передаточной характеристики преобразователя «код - напряжение» построить отдельно. По горизонтальной оси откладывать значения двоичных кодов;

7. Необходимые пояснения по ходу работы, сравните параметры для различных схем включения операционного усилителя.

Контрольные вопросы

1. Поясните смысл термина «операционный усилитель».

2. Дайте определение передаточной характеристики операционного усилителя.

3. Назовите основные параметры ОУ и поясните методику их получения.

4. Начертите схему инвертирующего включения ОУ. Обоснуйте формулу для расчета коэффициента усиления.

5. Начертите схему неинвертирующего включения ОУ. Обоснуйте формулу для расчета коэффициента усиления.

6. Начертите схему повторителя напряжения на ОУ.

7. Поясните смысл термина «повторитель напряжения».

8. Поясните смысл термина «коэффициент ослабления синфазного сигнала».

9. Поясните, чем отличается синфазный сигнал от дифференциального.

Приложение 1.

Табл. 3. Таблица с данными для расчета и вариантами.

Вариант

R2 кОм

R1 кОм

Сопротивление R3 = R1//R2 – параллельное соединение.

Для схемы рис. 5 R3 = R1, R4 = R2.

Автоматическое получение передаточных характеристик усилителя.

В меню Analysis выберите опцию Parameter Sweep. В открывшемся окне установите Component V (источник сигнала Е_С), Start value – 12V Stop value + 12V, Output node – номер цепи выхода ОУ. Установить режим DC operating, Sweep type linear, Increment step size 1 V, point в нижней части окна.
После этого нажмите кнопку Simulate.

В окне Analysis Graphs отобразится характеристика усилителя. Вид характеристики, которую Вы должны получить, изображен на рисунке 1.

Лабораторная работа 7