Исследование инвертирующей схемы включения операционного усилителя

Дата: 2025-06-02; Просмотры: 17

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Министерство образования и науки Украины Севастопольский национальный технический университет       ИССЛЕДОВАНИЕ БАЗОВЫХ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ С ИНВЕРСИЕЙ СИГНАЛА   Методические указания к лабораторной работе по дисциплине “Электроника” для студентов по направлению “Приборостроение” и дисциплине “Сенсорные и электронные элементы мехатронных систем” по направлению “Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии” дневной и заочной форм обучения   Севастополь 2011

УДК 629. 114.6

Исследование базовых схем включения операционного усилителя с инверсией сигнала. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине “Электроника” и “Сенсорные и электронные элементы мехатронных систем” / Сост.: Л.Е. Карташов, Ю.К. Сопин – Севастополь: издательство СевНТУ, 2012. – 12 с.

Методические указания предназначены для оказания помощи студентам при выполнении лабораторных работ по изучению инвертирующих и дифференцирующих усилителей. Приведены краткие теоретические сведения, описание установки, порядок проведения теоретических расчетов и проведения экспериментов.

Методические указания предназначены для студентов дневной и заочной форм обучения по направлению 6.051003 “Приборостроение”.

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры АПС, протокол № 4 от 09.10.2012 г.

Методические указания рассмотрены и утверждены на научно-методическом совете СевНТУ, протокол № __ от 20__ г.

Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний.

Рецензенты: Волков С.П., к.т.н., доцент кафедры АТПП

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНВЕРТИРУЮЩЕЙ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

1. Цель работы

Изучение принципа работы, основных параметров и характеристик операционного усилителя, исследование операционного усилителя как масштабного инвертирующего усилителя.

2. Теоретический раздел

Исследуемый усилитель называется операционным потому, что он может использоваться для выполнения разных математических операций над сигналами: алгебраического сложения, вычитания, умножение на постоянный коэффициент, интегрирования, дифференцирования, логарифмирования и т.п. Операционным часто называют усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления, охваченный цепью отрицательной обратной связи, которая определяет основные качественные показатели и характер выполняемых усилителем операций. Современный операционной усилитель выполнен на базе интегральной микросхемы операционного усилителя, к выводам которой, кроме цепи отрицательной обратной связи, подсоединяют источник питания, входные сигналы, сопротивление нагрузки, цепи коррекции частотных характеристик операционного усилителя и другие цепи.

Операционный усилитель – это усилитель постоянного тока, его амплитудно–частотная характеристика не имеет завала в области низких частот, поскольку операционный усилитель не содержит разделительных конденсаторов. Для того, чтобы во время отсутствия входных сигналов потенциал выхода можно было привести к нулю (к потенциалу земли), питание операционного усилителя делают двуполярным и, как правило, симметричным (в стенде ±12 В).

Рисунок 1.1 – Условное графическое изображение операционного усилителя

На рис. 1.1 показано условное графическое изображение операционного усилителя с одним выходом и двумя входами: прямым и инверсным. Инверсный вход 2 обозначают знаком инверсии (кружком) или обозначают знаком «–». Прямой вход 1 не имеет знака инверсии или его обозначают знаком «+». В общем случае на входные выводы операционного усилителя 1 и 2 поступают напряжения и , которые называют напряжениями общего вида. Из них выделяют синфазный и дифференциальный сигналы (рис. 1.2):

,

Рисунок 2 – Сигналы в операционном усилителе

Относительно потенциал на входе 1 выше, а на входе 2 – ниже на значение , а дифференциальный (разностный) сигнал .

Операционный усилитель предназначен для усиления небольшого разностного (дифференциального) сигнала. Синфазный сигнал для схемы операционного усилителя должны быть максимально ослаблен. Выходное напряжение находится в фазе (синфазно) с напряжением на входе 1 и противофазе напряжению на входе 2 .

На рис. 1.3 приведенные амплитудные характеристики операционного усилителя для случаев: 1 – входной сигнал подается на инвертирующий вход 2, а неинвертирующий вход 1 заземлен; 2 – входной сигнал подается на неинвертирующий вход 1, а инвертирующий вход 2. Выходное напряжение снимается относительно средней точки источника питания Е_П1 и Е_П2 (земли). Если U_вх = 0, то и U_вых = 0, что отражает условие баланса операционного усилителя. При отсутствии внешней цепи обратной связи наклоны амплитудных характеристик 1, 2 определяются коэффициентом усиления напряжения операционного усилителя

.

Рисунок 1.3 – Амплитудные характеристики операционного усилителя

Характерной для амплитудных характеристик операционного усилителя является наличие двух областей насыщения +U_нас и –U_нас, при достижении которых выходное напряжение остается постоянным и не зависит от изменения входного напряжения. Операционный усилитель в интегральном исполнении характеризуется большим коэффициентом усиления по напряжению, высоким входным и низким выходным сопротивлением.

В зависимости от того, на какие входы операционного усилителя подаются входные сигналы, различают две схемы включения операционного усилителя в интегральном исполнении: инвертирующая схема и неинвертирующая схема. Эти схемы имеют ряд общих особенностей:

1) наличие элементов отрицательной обратной связи;

2) при выводе аналитических выражений для оценки основных параметров операционного усилителя принимают значение , потому что операционный усилитель имеет очень высокий коэффициент усиления по напряжению ( );

3) входной ток считают равным нулю, потому что операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление ( ).

Схема включения операционного усилителя в инвертирующем режиме представлена на рис. 1.4. В этой схеме входной сигнал подается на инвертирующий вход операционного усилителя, а его неинвертирующий вход заземлен. Усилитель называется инвертирующим, потому что выходное напряжение U_вых инвертировано (противофазно) относительно входного напряжения U_вх. Отрицательная обратная связь создается с помощью резисторов R2 и R1 (параллельная обратная связь по напряжению).

Рисунок 1.4 – Инвертирующий усилитель

Так как входной ток операционного усилителя

,

то справедливо соотношение

(1.1)

Поскольку диффференциальное входное напряжение операционного усилителя , , а , то:

. (1.2)

Выходное напряжение в последнем выражении входит со знаком минус, потому что оно противофазно входному напряжению.

На основании соотношения 1.2 получим выражение для определения коэффициента усиления напряжения схемы инвертирующего усилителя:

. (1.3)

Если ввести обозначение глубины отрицательной обратной связи:

, (1.4)

которую при выполнении условия R₂ > R₁ можно принять равной:

,

и тогда

. (1.5)

Если R₁=R₂, то и операционный усилитель становится инвертирующим повторителем напряжения, у которого:

. (1.6)

Входное сопротивление инвертирующего операционного усилителя:

, (1.7)

а выходное сопротивление:

. (1.8)

Неинвертирующий вход операционного усилителя через резистор R3 соединен с землей, поэтому его потенциал равен нулю, а значит, равняется нулю и потенциал инвертирующего входа, потому что .

Поэтому на входах данной интегральной микросхемы операционного усилителя синфазный сигнал отсутствует. Поскольку R_вх реальной микросхемы операционного усилителя не равно бесконечности, то через ее входы протекают незначительные входные тока, которые при U_вх=0 могут вызвать случайные изменения выходного сигнала. Для их компенсации нужно обеспечить равенство сопротивлений входов операционного усилителя. Поэтому в схему введенный резистор

.

Инвертирующая схема включения операционного усилителя (рис. 1.4) может использоваться для изменения масштаба входного напряжения умножением его на постоянный коэффициент , а также для алгебраического суммирования входных сигналов как аналоговый сумматор (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 – Аналоговый сумматор на операционном усилителе

Напряжение на выходе такой схемы:

. (1.8)

Если R 1=R2=R, то:

(1.9)

3. Описание лабораторной установки

В состав лабораторной установки входят: лабораторная макетная плата, операционный усилитель, двуполярный блок питания и двухканальный осциллограф.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

Выучить принцип работы, параметры, характеристики, схемы включения и возможности применения интегральной микросхемы операционного усилителя. Согласно индивидуальному заданию (табл. 1.1), выбрать коэффициент усиления и определить значение элементов схемы. Номиналы резисторов указаны в таблице 1.2.

Таблица 1.1 – Индивидуальное задание

Таблица 1.2 – Номиналы резисторов

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ Экспериментальных исследований

1. На лабораторном стенде в поле Inv Amplifier собрать схему усилителя согласно рисунку 1.4, используя рассчитанные значения элементов схемы.

2. Снять и построить амплитудную характеристику на частоте f = 1 кГц:

a) операционного усилителя без отрицательной обратной связи;

b) операционного усилителя с отрицательной обратной связью.

3. Определить напряжение U_{вх max}, при котором появляются нелинейные искажения выходного сигнала. Убедиться, что выходное напряжение противофазно входному напряжению.

4. Снять и построить нормированную амплитудо–частотную характеристику при U_вх < U_{вх max} для операционного усилителя с отрицательной обратной связью. Из графика определить частоту среза f_с.

5. Собрать схему инвертирующего повторителя напряжения, (рис. 1.4), у которого R₁ = R₂ ⁼ 10 ком, и убедиться, что коэффициент ее усиления равен –1. Знак минус означат, что входной и выходной сигналы противофазны.

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Схема инвертирующего усилителя.

3. Исходные данные и теоретический расчет элементов схемы.

4. Таблицы результатов эксперимента.

5. Графики амплитудной и амплитудно-частотной характеристик.

6. Рисунки или фотографии осциллограмм.

7. Выводы по работе. В выводах объяснить вид амплитудной характеристики, причины нелинейных искажений, вид амплитудно-частотной характеристики, объяснить физический смысл частоты среза.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объясните свойства входов операционного усилителя.

2. Как влияет отрицательная обратная связь на работу операционного усилителя?

3. В чем особенности питания операционного усилителя?

4. Выведите формулу коэффициента усиления для инвертирующего усилителя.

5. Чем определяется входное сопротивление инвертирующего усилителя?

6. Какие параметры позволяет определить амплитудно-частотная характеристика?