Сведения, необходимые для выполнения работы
Цель работы
Исследование схем на основе операционного усилителя
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.
Перед началом выполнения работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:
· устройство и основные характеристики операционного усилителя;
· способы построения усилителей на основе операционного усилителя;
· способы построения преобразователей аналоговых сигналов на основе операционного усилителя.
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 Рисунке 3.1 показано условное обозначение ОУ на принципиальных схемах.
Рисунок 3.1 - Условное обозначение ОУ:
(-) - инвертирующий вход ОУ; (+) - инвертирующий вход ОУ: U(-) – напряжение на инвертирующем входе, U(+) - напряжение на неинвертирующем входе; U(вых)- выходное напряжение ОУ; En+ - положительное напряжение питания; Еп- - отрицательное напряжение питания
Поскольку ОУ используются как преобразователи сигналов, к их характеристикам предъявляются определенные требования. В основном эти требования сводятся к тому, чтобы характеристики наилучшим образом соответствовали характеристикам идеального ОУ. Идеальный операционный усилитель обладает следующими 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.
Модель идеального ОУ может успешно применяться для вывода математических соотношений, описывающих работу реальных ОУ в различных режимах. Выходное напряжение ОУ определяется выражением:
Uвых = -А (U--U+) = -А (ΔU) (3.1)
где А - коэффициент передачи усилителя, не охваченного обратной связью; U- -напряжение на инвертиртирующем входе; U+ - напряжение на неинвертиртирующем входе.
Знак минус перед коэффициентом передачи (А) показывает, что выходное напряжение отрицательно. Коэффициент передачи (А) можно определить как отношение величины выходного напряжения (UВЫХ) к разности значений входных напряжений ΔU. 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 (UП- < UВЫХ < UП+). Как правило, максимальное выходное напряжение ОУ на доли вольта меньше напряжения питания. Это ограничение известно как напряжение ограничения (положительное Uогр- и отрицательное {Uогр+).