Исследование свойств и характеристик операционного усилителя

Где ν → ∞ - коэффициент усиления операционного усилителя;

U₁ и U₂ - сигналы на неинвертирующем и инвертирующем входах соответственно.

Входное сопротивление операционного усилителя очень велико

(Rвх → ∞), поэтому входной ток при расчете считается равным нулю.

Выходное сопротивление операционного усилителя весьма мало

(R_ВЫХ → 0), поэтому ток нагрузки усилителя практически не влияет его выходное напряжение.

Инвертирующий вход часто используется для введения в операционный усилитель внешних обратных связей.

Инвертирующий усилитель. Инвертирующий усилитель представляет собой устройство, которое преобразует входное напряжение в выходное напряжение противоположной полярности. В случае сину­соидального напряжения образуется фазовременной сдвиг 180° между входным и выход­ным сигналами. Инвертирующий усилитель может быть использован для усиления или ос­лабления входного сигнала. Его принципиальная схема показана на рис. 9.1.1.

Коэффициент усиления равен

ν = -U_ВЫХ/U­_ВХ = -R_OC/R_BX

Для упрощения расчетов делаются следующие допущения:

• В рабочем диапазоне усилителя разность потенциалов между двумя входами равна 0;

• Входной ток усилителя равен 0.

Коэффициент усиления ν = - 1 (когда Rос ⁼ R_Вх), то есть амплитуды входного и выходного сигналов равны.

Неинвертирующий усилитель. В операционном усилителе без инвертирования входное и выходное напряжения имеют одинаковую полярность, то есть фазовый сдвиг по напряжению равен 0°.

Как показано на принципиальной схеме (рис. 9.2.1), входное напряжение подается на неинвертирующи й вход. В диапазоне модуляции усилителя разность потенциалов между двумя входами равна 0.

Коэффициент усиления вычисляется по формуле:

ν =U_ВЫХ/U_ВХ= 1+R_OC/R_BX.

Операционный дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель (рис. 9.4.1) представляет собой элемент вычитания с усилением. Оба входных напряжения усиливаются с одним и тем же коэффициентом уси­ления. Ослабление синфазного сигнала удовлетворительно, только когда коэффициенты усиления по обоим входам одинаковы, т.е. Rвх1 ⁼ Rвх2 ⁼ Rвх и Rос1 ⁼ Rос2 ⁼ Rос.

Тогда

Uвых ⁼ (Uвх2 – Uвх1), Rос / Rвх.

Ослабление синфазного сигнала ухудшается при увеличении коэффициента усиле­ния Rос/Rвх-

Операционные дифференциальные усилители применяются, например, как измери­тельные усилители.

Поведение операционного усилителя в динамике. Операционные усилители представляют собой широкополосные усилители напря­жения постоянного тока, которые в определенном частотном диапазоне усиливают также и напряжения переменного тока.

Зависимость коэффициента усиления от частоты ν(ω) назы­вается амплитудно-частотной характеристикой усилителя. Она зависит как от внешних со­противлений и емкостей, подключаемых к операционному усилителю, так и от «паразит­ных» сопротивлений и емкостей внешних проводников и внутренней схемы самого опера­ционного усилителя.

Операционные усилители используются в схемах фильтров, интегрирующих и диф­ференцирующих цепей и других устройств.

На рис. 9.5.1а приведена простейшая схема интегрирующего усилителя (фильтра низких частот), на рис. 9.5.16 - схема дифференцирующего усилителя (фильтра высоких частот), на рис. 9.5.1в - схема усилителя средних частот (простейшего полосового фильтра).

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Построить кривую, показывающую зависимость выходного напряжения от входного, изучить влияние величины сопротивления нагрузки на выходное напряжение инвертирующего усилителя.

Порядок выполнения эксперимента

• Соберите цепь, как показано на рис. 9.1.1. С помощью мультиметра измерьте вели­чины выходного напряжения Uвых при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи Rос и входных напряжениях U_Вх согласно табл. 9.1.1.

• Занесите результаты измерений в табл. 9.1.1. На графике (рис. 9.1.3) постройте кри­вые зависимостей Uвых(Uвх) при различных сопротивлениях отрицательной обрат­ной связи Rос.

• Для изучения влияния сопротивления нагрузки установите входное напряжение Uвх = - 5 В, а Rос⁼ R_Вх ⁼ 10 кОм. Подсоедините к выходу усилителя поочередно раз­личные сопротивления нагрузки согласно табл. 9.1.2 и измерьте мультиметром ре­зультирующие выходные напряжения Uвых.

• Занесите измеренные величины в табл. 9.1.2 и затем постройте на графике (рис. 9.1.4) кривую зависимости выходного напряжения Uвых от сопротивления нагрузки Rн.

Таблица 9.1.2