2.1. Инвертирующий усилитель

Цель работы - изучить работу инвертирующего усилителя на основе дифференциального операционного усилителя.

2.1.1. Краткие теоретические сведения

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. 2.1.1.

Рис. 2.1.1. Схема инвертирующего усилителя на ОУ.

Из рассмотрения схемы рис. (2.1.1.) следует, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению. Сопротивление R_ВХ находится в прямой цепи, а сопротивление R_ОС – в цепи обратной связи. Таким образом коэффициент усиления схемы, определяющийся соотношением R_ОС/R_ВХ, зависит как от параметров цепи обратной связи, так и параметров прямой цепи. Принцип действия отрицательной обратной связи в схеме можно сформулировать следующим образом – за счет этой связи ОУ вынужден обеспечивать такую величину выходного напряжения, чтобы напряжение на его инвертирующем входе равнялось нулю.

Предположив, что ОУ работает в режиме усиления (U_ДИФ 0) на основании сделанных допущений и в соответствии с законами Кирхгофа можно показать, что инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным

К_U = - U_ВЫХ / U_ВХ = - R_ОС / R_ВХ. (2.1.1)

Коэффициент усиления К_U = - 1 (когда R_ОС = R_ВХ), то есть амплитуды входного и выходного сигналов равны.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах из за параллельной отрицательной обратной связи по напряжению значительно ниже собственного входного сопротивления ОУ. Учитывая, что U_ДИФ 0, легко заметить, что входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равноR_ВХ.

Вследствие действия отрицательной обратной связи по напряжению выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах R_{ВЫХ ОС} существенно меньше выходного сопротивления R_ВЫХ собственно ОУ.

2.1.2. Содержание работы и методика её выполнения

2.1.2.1. Построить кривые, показывающую зависимость выходного напряжения инвертирующего усилителя (рис.2.1.2) от входного и величины резистора обратной связи и определить коэффициент усиления схемы по постоянному току (К(0)) для каждого резистора обратной связи.

Указания

Соберите схему усилителя согласно рис.2.1.2. и покажите её преподавателю.

Включите стабилизированный источник питания стенда 12В и регулируемый источник 0..30В.

Устанавливая на входе усилителя с помощью регулируемого источника 0…30В и вольтметра В7-22А напряжение U_ВХ в соответствии с таблицей 2.1.1. измерьте мультиметром Ц4311 величины выходного напряжения U_ВЫХ. Проведите замеры при трех различных величинах сопротивления отрицательной обратной связи R_ОС1, R₉ и R₁₀. Резисторы R₈, R₉, R₁₀ конструктивно расположены в мостовом выпрямителе стенда.

Воспользовавшись выражением К(0) = рассчитать коэффициенты усиления схемы при различных сопротивлениях обратной связи.

Результаты измерений занесите в таблицу 2.1.1.

На графике (рис. 2.1.3) постройте кривые зависимостей выходного напряжения U_ВЫХ от входного U_ВХ при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи R_ОС.

Рис. 2.1.2. Схема инвертирующего усилителя на дифференциальном ОУ.

Таблица 2.1.1

UВХ, В	-7	-6	-5	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	5	6	7	К(0)
UВЫХ при RОС1
UВЫХ при RОС = R9
UВЫХ при RОС = R10

Рис. 2.1.3. Зависимость выходного напряжения инвертирующего усилителя

на ОУ от величины входного напряжения при различных величинах резистора обратной связи (R_ОС1, R₉ R₁₀).

2.1.2.2. Изучить влияние величины сопротивления нагрузки на выходное напряжение.

Указания

Для изучения влияния сопротивления нагрузки на величину выходного напряжения установите в цепь обратной связи резистор R_ОС1 (рис. 2.1.2) и величину входного напряжения U_ВХ при котором U_ВЫХ = 5 В. Подсоединяя к выходу усилителя поочередно различные сопротивления нагрузки в соответствии с табл. 2.1.2 измерьте прибором В7 – 22А выходные напряжения (U_ВЫХ), а прибором Ц4311 выходные токи (токи протекающие в нагрузке) (I_ВЫХ). Резисторы должны быть подключены одним выводом к выходу усилителя, а другим через прибор Ц4311, включенный в режим измерения тока, к корпусу. Результаты измерений занести в таблицу 2.1.2.

Таблица 2.1.2

RН, Ом	1000	680	470	330	220	100	47
UВЫХ, В
IВЫХ, мА

 постройте на графике (рис. 2.1.4) кривую зависимости выходного напряжения U_ВЫХ от сопротивления нагрузки R_Н.

 рассчитать выходное сопротивление усилителя воспользовавшись выражением .

Рис. 2.1.4. Зависимость выходного напряжения инвертирующего усилителя от величины сопротивления нагрузки.

2.1.2.3. Воспользовавшись выражением (2.1.1) по известным величинам резисторов в цепи обратной связи и К(0) рассчитайте величину резистора R₁ (R_ВХ). Для уменьшения ошибки измерений результаты расчетов усреднить.

 величины резисторов R_ОС1, R₉ и R₁₀ измерьте с помощью омметра либо узнайте у преподавателя.