Электротехника и электроника Ч3 (электроника)

61

Операционный усилитель, предназначенный для универсального применения, из соображений устойчивости должен иметь такую же частотную характеристику, что и фильтр нижних частот первого порядка (инерционное звено), причем это требование должно удовлетворяться по крайней мере вплоть до частоты единичного усиления, т.е. такой частоты, при которой |K| = 1.

Рассмотрим схемы усилителей на основе ОУ.

При использовании ОУ в качестве инвертирующего усилителя его неинвертирующий вход соединяется с общей шиной (рисунок 12.5).

RОС

R1

Рисунок 12.5 – Инвертирующий усилитель на ОУ

Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению к входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

Найдем входное сопротивление схемы. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно общей шины равно нулю, согласно свойству а) идеального ОУ входной ток схемы I1 = UВХ / R1. Следовательно, входное сопротивление схемы RВХ = R1. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а согласно свойству а)

62

идеального ОУ разность потенциалов между его входами равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют виртуальным нулем.

При использовании ОУ в качестве неинвертирующего усилителя входной сигнал подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и RОС поступает сигнал с выхода усилителя (рисунок 12.6). Коэффициент усиления KU схемы:

напряжению не может быть меньше единицы. В предельном случае, если выход ОУ накоротко соединен с инвертирующим входом, этот коэффициент равен единице. Входное сопротивление этой схемы в идеале – бесконечно. У повторителя на реальном ОУ это сопротивление конечно, но весьма велико.

RОС

R1

UВЫХ

UВХ

Рисунок 12.6 – Неинвертирующий усилитель на ОУ

Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко – на ОУ создаются операционные схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование, выделение модуля функции и т.п.). Эти схемы находят применение в устройствах автоматического управления, и они составляют основу аналоговых ЭВМ, где наиболее распространенными являются суммирующие и интегрирующие схемы на ОУ.

63

Аппаратура, оборудование и материалы

Аналогично лабораторной работы №9.

Указания по технике безопасности

Аналогично лабораторной работы №9.

Методика и порядок выполнения работы 1. Изучение устройства и принципа действия ОУ

Перед выполнением лабораторной работы ознакомится со следующими вопросами:

−устройство и основные характеристики ОУ;

−способу построения усилителей на ОУ;

−способы построения преобразователей аналоговых сигналов на основе ОУ.

2.Исследование инвертирующего усилителя

2.1Для исследования характеристик инвертирующего усилителя собрать цепь по схеме рисунка 12.7. С помощью элементов управления стенда установить следующие режимы работы: переключить первый и второй мультиметры в режим измерения постоянного напряжения на пределе 20 В. Тумблеры источников напряжения «15 В» перевести в верхнее положение. Подать питание на стенд, для чего выключатели «СЕТЬ» используемых блоков перевести в положение «I».

2.2Измерить величину выходного напряжения UВЫХ при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи RОС и входных напряжениях UВХ согласно таблице 12.1. Входное напряжение регулируется положением ручки потенциометра RП. Занести результаты измерений в таблицу 12.1.

2.3Построить графики зависимостей выходного напряжения UВЫХ от входного UВХ (передаточные характеристики) при различных величинах

64

сопротивления обратной связи RОС.

2.3.1По передаточным характеристикам инвертирующего усилителя определить величины положительного (UОГР+) и отрицательного (UОГР–) напряжений ограничения. Результаты записать в отчет.

2.3.2Определить коэффициенты усиления инвертирующего усилителя при различных величинах сопротивления резистора RОС. Для этого на соответствующей передаточной характеристике определить координаты двух произвольных точек, лежащих на наклонном участке характеристики.

Произвести вычисления по формуле: KU = (UВЫХ2 −UВЫХ1 )(UВХ2 −UВХ1 ). Результаты вычислений занести в таблицу 12.2.

Таблица 12.1 – Зависимость выходного напряжения инвертирующего усилителя от величины сопротивления обратной связи

2.4 Изучить влияние сопротивления нагрузки на выходное напряжение инвертирующего усилителя. Для этого установить входное напряжение UBX = – 5 В, a RОС = R1 = 10 кОм. Подсоединить к выходу усилителя поочередно различные сопротивления нагрузки согласно таблице 12.3 и измерить мультиметром результирующие выходные напряжения UВЫХ. Рассчитать силу тока IВЫХ. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 12.2.

2.5 Снять питание со стенда, для чего выключатели «СЕТЬ» используемых блоков перевести в положение «O». Разобрать схему эксперимента.

65

2.6 Построить графики зависимостей выходного напряжения

UВЫХ = f(RН) и UВЫХ = f(IВЫХ).

Рисунок 12.7 – Схема инвертирующего усилителя

Таблица 12.2 – Сравнение коэффициентов усиления инвертирующего усилителя полученных по передаточной характеристике и теоретическим расчетам

2.7 Ответить на следующие вопросы:

−Какова полярность выходного напряжения инвертирующего усилителя по отношению к входному?

−Какие элементы схемы инвертирующего усилителя определяют его коэффициент усиления KU ?

−Как соотносится напряжения ограничения выходного напряжения инвертирующего усилителя с напряжениями питания операционного усилителя?

66

−Какое утверждение можно сделать относительно зависимости выходного напряжения инвертирующего усилителя от сопротивления нагрузки.

−Рассчитать коэффициенты усиления инвертирующего усилителя

исследуемого в работе (для расчета воспользоваться соотношением KU = −RОС R1 ). Результаты вычислений занести в таблицу 12.2. Сравнить с результатами, полученными по передаточной характеристике.

Таблица 12.3 – Зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки

3.Исследование неинвертирующего усилителя

3.1Для исследования характеристик неинвертирующего усилителя собрать цепь по схеме рисунка 12.8. С помощью элементов управления стенда установить следующие режимы работы: переключить первый и второй мультиметры в режим измерения постоянного напряжения на пределе 20 В. Тумблеры источников напряжения «15 В» перевести в верхнее положение. Подать питание на стенд, для чего выключатели «СЕТЬ» используемых блоков перевести в положение «I».

3.2Измерить мультиметром величину выходного напряжения UВЫХ при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи RОС и входных напряжениях UВХ согласно таблице 12.4. Входное напряжение регулируется положением ручки потенциометра RП и контролируется мультиметром. Занести результаты измерений в таблицу 12.4.

3.3Снять питание со стенда, для чего выключатели «СЕТЬ» используемых блоков перевести в положение «O». Разобрать схему эксперимента.

Рисунок 12.8 – Схема неинвертирующего усилителя

Таблица 12.4 – Зависимость выходного напряжения неинвертирующего усилителя от величины сопротивления обратной связи

3.4 Построить передаточные характеристики неинвертирующего усилителя при различных величинах сопротивления обратной связи RОС.

3.4.1По передаточным характеристикам инвертирующего усилителя определить величины положительного (UОГР+) и отрицательного (UОГР–) напряжений ограничения. Результаты записать в отчет.

3.4.2По передаточным характеристикам определить коэффициенты усиления неинвертирующего усилителя при различных величинах сопротивления резистора RОС (аналогично п. 2.3.2). Результаты вычислений занести в таблицу 12.5.

3.4 Ответить на следующие вопросы:

68

−Какова полярность выходного напряжения неинвертирующего усилителя по отношению к входному?

−Какие элементы схемы неинвертирующего усилителя определяют его коэффициент усиления KU ?

−Рассчитать коэффициенты усиления неинвертирующего усилителя

исследуемого в работе (для расчета воспользоваться соотношением KU =1+ RОС R1 ). Результаты вычислений занести в таблицу 12.5. Сравнить с результатами, полученными по передаточной характеристике.

Таблица 12.5 – Сравнение коэффициентов усиления неинвертирующего усилителя полученных по передаточной характеристике и теоретическим расчетам

4 Исследование операционного усилителя в динамическом режиме

4.1Исследовать работу неинвертирующего усилителя при воздействии синусоидального напряжения. С помощью элементов управления стенда установить следующие режимы работы: первый мультиметр в режим измерения переменного напряжения на пределе 2 В; второй – в режим измерения переменного напряжения на пределе 20 В; на генераторе напряжений специальной формы переключатель «ФОРМА» установить в положение – синусоида. Выход «СИНХР» генератора напряжений специальной формы соединить со входом «1:1» осциллографа, тумблер «СИНХР.» осциллографа перевести в положение «·□». Подать питание на стенд, для чего выключатели «СЕТЬ» используемых блоков перевести в положение «I».

4.2Собрать электрическую цепь, показанную на рисунке 12.9 (вместо

69

резистора RV подключена перемычка). Регулятором «ЧАСТОТА» установить частоту напряжения генератора равной 1 кГц, регулятором АМПЛИТУДА установить действующее значение напряжения 0,5 В (контролируется первым мультиметром).

Рисунок 12.9 – Исследование инвертирующего усилителя

вдинамическом режиме

4.3К входу усилителя приложить синусоидальное напряжение с выхода генератора напряжений специальной формы. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений. Сопоставить осциллограммы и определить фазовый сдвиг между напряжениями на входе

ивыходе усилителя (ϕ). Измерить вторым мультиметром величину

выходного напряжения UВЫХ1. Результат измерения занести в таблицу 12.6. 4.4 Определить значение входного сопротивления усилителя RВХ. Для

этого последовательно с входом включить резистор RV, что вызовет снижение выходного напряжения с UВЫХ1 до UВЫХ2. Величину UВЫХ2 измерить вторым мультиметром. Сопротивление RВХ при этом можно вычислить по формуле:

Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 12.6.