Исследование схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей на оу

Цель работы

Изучение принципа работы и исследование схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей на базе ОУ.

Пояснения к работе

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой дифференциальный усилитель, обладающий большим коэффициентом усиления (от 50 тыс. до 10 млн), высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Операционные усилители широко используются в схемах обработки аналоговых сигналов. С помощью ОУ можно осуществлять не только усиление, но и основные математические операции: сложение, вычитание, умножение, деление, потенцирование, логарифмирование, возведение в произвольную степень, интегрирование. Именно поэтому такие усилители получили название «операционные».

Существуют две основных схемы включения ОУ: инвертирующая и неинвертирующая (рис. 1).

Рис. 1. Схемы включения ОУ:

а) инвертирующий усилитель, б) неинвертирующий усилитель

Коэффициенты усиления по напряжению для инвертирующего и неинвертирующего усилителей зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи R1R2 и соответственно будут определяться как [1, 2]

Kи = -R2 / R1, (1)

Kн = 1 + R2 / R1. (2)

Знак «-» в выражении (1) означает, что фаза выходного сигнала сдвинута относительно входного на величину 180, т.е. выходной сигнал инвертируется.

При работе ОУ с отрицательной обратной связью разность напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ стремится к нулю. В результате потенциал инвертирующего входа в схеме инвертирующего усилителя будет равен потенциалу общего провода (принцип виртуального нуля), следовательно, сопротивление R1 фактически окажется подключенным к общему проводу. Поэтому входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется величиной сопротивления R1.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя имеет большую величину, которая определяется входным сопротивлением ОУ. Его значение может составлять от 10⁷ Ом (для ОУ с биполярными транзисторами во входном каскаде) до 10¹³ Ом (для ОУ с полевыми транзисторами). Поэтому неинвертирующий усилитель может использоваться при работе с высокоимпедансными источниками входного сигнала, например такими, как электретные микрофоны. Если значение R1 бесконечно велико (разрыв), а R2 – равно нулю (короткое замыкание), то согласно выражению (2) коэффициент усиления схемы будет равен единице. Такая схема носит название «повторитель напряжения» и может использоваться в качестве устройства согласования нагрузок (буфера).

Амплитуда выходного сигнала ОУ ограничена. Для большинства ОУ она на 0,5…2,5 В меньше напряжения питания усилителя. Поэтому при превышении амплитудой входного сигнала определённой величины на выходе схем, изображённых на рис. 1, будет наблюдаться режим ограничения.

Графики АЧХ усилителей представлены на рис. 2. Сплошная линия – это АЧХ ОУ без обратной связи. Из рисунка видно, что большой коэффициент усиления ОУ сохраняется лишь на достаточно низких частотах (в зависимости от типа ОУ частота среза по уровню -3 дБ может составлять от 10…до 100 Гц), а затем начинает снижаться с крутизной -20 дБ/дек. При некоторой частоте (на рис. 2 она равна 1 МГц) коэффициент усиления становится равным 1 (0 дБ). Эта частота носит название частоты единичного среза и является паспортным параметром любого ОУ.

К, дБ

f, Гц

Рис. 2. Зависимость АЧХ усилителя на ОУ от коэффициента усиления

Применение отрицательной обратной связи снижает коэффициент усиления, но при этом увеличивается частота среза, а следовательно, расширяется диапазон усиливаемых частот. В качестве примера на рис. 2 пунктиром приведены характеристики усилителей на ОУ, имеющих коэффициент усиления 100 (40 дБ) и 10 (20 дБ). Из рисунка видно, что в первом случае частота среза составляет 10 кГц, а во втором – 100 кГц. То есть снижение коэффициента усиления приводит к расширению полосы пропускания усилителя.

Основными проблемами, с которыми приходится сталкиваться при разработке усилительных схем на ОУ, являются наличие у них входных токов и напряжения смещения, которые сильно зависят от температуры. Причём, если входной дифференциальный каскад ОУ выполнен на биполярных транзисторах, то бóльшую проблему представляют входные токи, а в случае, когда во входном каскаде используются полевые транзисторы, наибольшее влияние на работу схемы оказывает напряжение смещения. Поэтому при разработке прецизионных усилителей необходимо принимать специальные схемотехнические меры, направленные на уменьшение действия этих факторов [1, 2, 3].

Порядок проведения лабораторной работы

1. По заданному преподавателем коэффициенту усиления К рассчитать номиналы элементов инвертирующего усилителя на ОУ. Номиналы резисторов следует выбрать из ряда Е24, причём сопротивление в обратной связи должно быть в пределах 100кОм…1МОм.

2. Нарисовать схему инвертирующего усилителя в Microcap. Тип ОУ (LM741, аналог К140УД7) выбирается из меню:

Component  Analog Library  Opamp  LF0000-  LM741-  LM741

3. Установить на вход схемы модель синусоидального источника ЭДС, выбрав его тип из меню: