Операционные усилители

В основе построения современных полупроводниковых усилителей лежат операционные усилители, изготавливаемые по микросхемной технологии. Современный операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока, имеющий очень высокий, свыше 50 000, коэффициент усиления. Обычно для работы операционного усилителя используется биполярный источник постоянного тока. Практически все операционные усилители имеют два функциональных входа: (рисунок 4.1) один прямой, другой инверсный, помеченный на схеме кружочком. Напряжение на выходе пропорционально разности входных напряжений:

, (4.3)

г де k– коэффициент усиления по напряжению.

Рисунок 4.2 − Схема операционного усилителя

Эти усилители позволяют строить любые преобразующие схемы для систем автоматического регулирования (см. приложение), в том числе и высококачественные линейные усилители. Схема простейшего линейного усилителя с заданным коэффициентом усиления приведена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 − Схема линейного усилителя

Обозначим напряжение, действующее непосредственно на входе операционного усилителя, через U и выразим его через входное и выходное напряжения.

Это напряжение представляет собой сумму входного напряжения и падения напряжения на резисторе за счет разности выходного и входного напряжений:

. (4.4)

Тогда согласно выражению (4.3) выходное напряжение можно записать как

, (4.5)

где k–значение коэффициента усиления данного операционного усилителя. Если здесь учесть выражение (4.4), получим

. (4.6)

Если выражение в скобках привести к общему знаменателю, получим более простое:

. (4.7)

Решая это уравнение относительно , имеем:

. (4.8)

Учитывая, что значение коэффициента усиления k самого операционного усилителя в этой формуле очень большое, превышает 50 000, в знаменателе первым членом можно пренебречь. Тогда после сокращений получим простое соотношение

. (4.9)

В этом выражении отношение представляет собой коэффициент усиления по напряжению данного линейного усилителя. Знак − указывает на то, что выходное напряжение противоположно по знаку входному, а для переменного гармонического напряжения это равносильно изменению фазы напряжения на 180⁰. Путем подбора резисторов и можно получить усилитель с любым заданным коэффициентом усиления. Точность представления коэффициента усиления выражением (4.9) достаточно высокая. Она определяется отношением , где – коэффициент усиления из соотношения (4.9). Если учесть, что k– свыше 50 000, то погрешность в вычислении составляет доли процента. Кроме того, коэффициент усиления практически не зависит от коэффициента усиления самого операционного усилителя, лишь бы он был достаточно велик. Поэтому на схемах в обозначении операционного усилителя вместо значения коэффициента усиления k ставится знак ∞.

Лабораторная установка

Лабораторная установка состоит и трех переносных устройств: комплекта оборудования для изучения характеристик усилителей, генератора синусоидальных сигналов типа Г3-56/1 и осциллографа типа С1-76 для измерения параметров периодических сигналов. Электрическая схема лабораторной установки приведена на рисунке 4.3.

Р исунок 4.3 − Схема электрическая полупроводникового

усилителя:

Г – генератор; О – осциллограф

На лицевой панели комплекта оборудования выделены три зоны, из которых в работе используются две: наборное поле слева и источник питания справа вверху. На наборном поле выделены шины биполярного источника питания (+15 в, -15 В,  ), 24 счетверенных гнезда для подключения сменных элементов усилителя и измерительные приборы с гнездами подключения. К сменным элементам относятся операционный усилитель типа 140УД8, резисторы и конденсатор. Для подключения комплекта в сеть имеется электрический шнур с вилкой.