Параметры и характеристики ОУ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Курский государственный технический университет

Кафедра вычислительной техники

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Методические указания

к лабораторной работе по дисциплине

“Электроника”

для студентов специальности 220100

Курск 2005

Составитель В.И. Иванов

УДК 681.3

Рецензент

Кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и технологии электронных вычислительных средств О.Г. Бондарь

Операционные усилители:Методические указания к лабораторной работе по дисциплине “Электроника” для студентов специальности 220100 / Курск. гос. техн. ун-т; Сост. В.И. Иванов. Курск, 2005. 14 с.

Описываются методика исследования характеристик операционного усилителя (ОУ) и методы проектирования усилителей аналоговых сигналов на основе ОУ; приведены рекомендации по применению программы моделирования электронных схем Electronics Workbench 5.0для исследования усилителей.

Предназначены для студентов специальности 220100.

Ил. 8, табл. 1. Библиогр.: 4 назв.

Текст печатается в авторской редакции

ЛР № 020280 от 09.12.96. ПЛД № 50–25 от 1.04.97.

Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Печать офсетная.

Усл. печ. л.

Уч.-изд. л.

Тираж 75 экз.

Заказ .

Курский государственный технический университет.

Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета.

305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Цель работы

Изучение принципа работы и исследование характеристик и параметров интегрального операционного усилителя (ОУ) и методов проектирования устройств линейного преобразования аналоговых сигналов на основе ОУ.

Основные теоретические положения и описание принципиальной схемы

Параметры и характеристики ОУ

Операционный усилитель – это дифференциальный усилитель постоянного тока с симметричным входом и несимметричным выходом, имеющий очень большой коэффициент усиления (порядка 10⁵ …10⁶), высокое входное (от 10 кОм до 100 МОм) и низкое выходное (порядка 50…500 Ом) сопротивления. Для питания ОУ обычно используют два симметричных источника, например, ±15 В. Условные обозначения ОУ приведены на рис. 1: а) и б) – упрощенные; в) – по ЕСКД. Чаще всего на схемах не показывают подключение источников питания и вывод на общую шину.

Рис. 1. Условные обозначения операционного усилителя

Символом «–» или кружком помечен инвертирующий вход, сигнал с которого проходит на выход в противофазе, а второй вход – неинвертирующий. Операционные усилители, за редким исключением, не используются без цепей обратной связи. При наличии замкнутой петли отрицательной обратной связи (О.О.С) характеристики ОУ определяются в основном параметрами цепи обратной связи.

Большинство интегральных ОУ выполнены по схеме с непосредственными связями, пропускающими постоянную составляющую от источника сигнала через все каскады до нагрузки, что позволяет усиливать медленно изменяющиеся сигналы. В качестве входного каскада, как правило, используется дифференциальный усилитель на биполярных или полевых транзисторах.

Выходное напряжение пропорционально входному дифференциальному сигналу, равному разности напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах:

U_вых = K_u·U_вх.дф.

Рис 2. Вид амплитудно-частотной характеристики ОУ в логарифмическом масштабе

На рис. 2 показана амплитудно-частотная характеристика ОУ. На низких частотах ОУ имеет очень большой коэффициент усиления. Однако, начиная с верхней граничной частоты f_в, на которой усиление уменьшается в раз, происходит снижение коэффициента K_u обратно пропорционально частоте. На частоте единичного усиления f₁ значение K_u равно 1.

Входные сигналы подаются относительно одной общей шины, относительно которой снимается и выходной сигнал. При нулевом входном дифференциальном напряжении выходной сигнал также равен нулю. Благодаря этому нагрузку можно подключать непосредственно к выходу, не заботясь о разделении переменной и постоянной составляющих и не рискуя изменить статический режим усилительных каскадов ОУ.

“Идеальный” операционный усилитель

При проектировании и анализе устройств на операционных усилителях, охваченных О.О.С., удобно упростить правила, которые определяют поведение ОУ. Идеальный ОУ имеет следующие параметры и характеристики:

1. Коэффициент усиления по напряжению K_u равен бесконечности. ОУ обладает таким большим коэффициентом усиления, что для изменения выходного напряжения в пределах его полного диапазона необходим очень небольшой входной дифференциальный сигнал, так что можно считать входное дифференциальное напряжение условно равным нулю.

2. Входное сопротивление и для дифференциального, и для синфазного сигналов равно бесконечности, и входныетокиI_вх.1 и I_вх.2 можно считать равными нулю.

3. Коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю.

4. Выходное сопротивление при разомкнутой цепи О.С. равно нулю, поэтому можно пренебречь влиянием нагрузки на усиление ОУ.

5. При одинаковых напряжениях на обоих входах выходное напряжение равно нулю, то есть напряжение смещения U_см равно нулю.

6. Выходное напряжение может изменяться мгновенно, то есть скорость нарастания выходного напряжения V_u.max равна бесконечности.

7. Перечисленные свойства не зависят от температуры и изменения напряжения питания.

Отличия реальных операционных усилителей от идеального приводят к погрешностям преобразования сигналов, и необходимы специальные меры для компенсации ошибок.