СВЕДЕНИЯ. НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является:
· ознакомление с характеристиками операционного усилителя;
· ознакомление с принципами построения схем преобразования аналоговых сигналов на основе операционного усилителя;
· исследование инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе операционного усилителя;
· исследование схем интегрирования и дифференцирования аналоговых сигналов.
СВЕДЕНИЯ. НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Перед началом выполнения работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:
· устройство и основные характеристики операционного усилителя [1, с. 83-90],
· способы построения усилителей на основе операционного усилителя [1, с. 91-92].
· способы построения преобразователей аналоговых сигналов на основе операционного усилителя [1. с. 224-235).
Одной из разновидностей полупроводниковых приборов являются полупроводниковые интегральные микросхемы - монолитные функциональные приборы, все элементы которых изготавливаются в едином технологическом цикле. Интегральные микросхемы предназначены для выполнения различных операций, как с аналоговыми, так и с цифровыми электрическими сигналами. Среди интегральных микросхем, предназначенных для обработки аналоговых электрических сигналов, важнейшее место занимает операционный усилитель (ОУ) – полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления напряжения и обеспечивающий выполнение различных операций по преобразованию аналоговых электрических сигналов: усиление, сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.д. Возможность выполнения этих операций ОУ определяется наличием цепей положительной и/или отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости, индуктивности, диоды, стабилитроны, транзисторы и некоторые другие электронные элементы.
Типовой ОУ представляет собой дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления. На рис.6.1. показано условное обозначение ОУ на принципиальных схемах.
Поскольку ОУ используется как преобразователи сигналов к их характеристикам предъявляются определенные требования. В основном эти требования сводят к тому, чтобы характеристики, наилучшим образом соответствовали характеристикам идеального ОУ. Идеальный операционный усилитель обладает следующим и свойствами:
· коэффициент передачи ОУ без обратной связи равен бесконечности;
· входной ток равен нулю;
· напряжение смещения и ток смещения нуля на выходе ОУ равны нулю;
· входное сопротивление ОУ равно бесконечности;
· выходное сопротивление ОУ равно нулю.
Рис.6. 1. Условное обозначение ОУ:
(-) - инвертирующий вход ОУ; (+) - неинвертирующий вход ОУ; U(-) - напряжение на инвертирующем входе; U(+) - напряжение на неинвертирующем входе; UВЫХ - выходное напряжение ОУ; EП+ - положительное напряжение питания ОУ; Еп- - отрицательное напряжение питания;
Модель идеального ОУ может успешно применяться для вывода математических соотношений, описывающих работу реальных ОУ в различных режимах.
Выходное напряжение ОУ определяется выражением:
где А - коэффициент передачи усилителя, не охваченного обратной связью; U- - напряжение на инвертирующем входе; U+ - напряжение на неинвертирующем входе.
Знак минус перед коэффициентом передачи показывает, что выходное напряжение отрицательно. Коэффициент передачи можно определить как отношение величины выходного напряжения
к разности значений входных напряжений
. Коэффициент передачи реальных ОУ на постоянном токе колеблется в пределах от 10000 до 2000000.
Большинство ОУ имеют биполярный выход. Это означает, что выходной сигнал может иметь как положительную, так и отрицательную полярность. Поэтому для нормальной работы ОУ требуются два источника питания.
Выходное напряжение никогда не может превысить напряжение питания . Как правило, максимальное выходное напряжение ОУ на доли вольта меньше напряжения питания. Это ограничение известно как напряжение ограничения (положительное
и отрицательное
).