1. Цель и содержание работы

Целью данной работы является получение практических навыков расчёта, монтажа и исследования характеристик электронных схем на основе интегральных операционных усилителей (ОУ). В процессе выполнения работы необходимо:

а) рассчитать параметры схемы и исследовать работу инвертирующего и неинвертирующего усилителей на ОУ;

б) рассчитать частоту колебаний, выполнить монтаж схемы, произвести необходимые измерения параметров RC – генератора с мостом Вина на ОУ;

в) выполнить расчёт электрических фильтров (фильтра низких частот – ФНЧ, фильтра высоких частот – ФВЧ, полосового фильтра – ПФ) с заданными параметрами на ОУ, смонтировать схему, снять основные характеристики;

2. Краткие сведения из теории

2.1. Общие сведения.

Операционный усилитель (ОУ) – это дифференциальный усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Выходное напряжение ОУ ограничено сверху и снизу двухполярным напряжением источника питания (+U_п и –U_п). Обычно напряжения питания имеют следующие значения: U_п1 = +15 В, U_п2 = 15 В. В этом случае выходное напряжение изменяется в пределах от +13 В до –13 В. При коэффициенте усиления ОУ лежащем в пределах 10⁴…10⁶ входное напряжение – U_вх = U_вых/К_u будет изменяться соответственно в пределах от 1,3 мВ до 13 мкВ. Поэтому такими незначительными изменениями обычно пренебрегают, полагая входные напряжения ОУ одинаковыми, а его входы условно (виртуально) замкнутыми.

Вместе с тем входные токи ОУ, составляющие величину порядка единиц и долей A, полагают равными 0. Всё это значительно упрощает расчёт усилителей и других устройств на ОУ. При более точных расчётах приходится оценивать погрешности, обусловленные входными токами, конечным значением К_u, напряжением смещения входа (величина напряжения, которое необходимо

приложить к входу ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно 0) и другими параметрами. Для усилителей, работающих в заданной полосе частот, следует учитывать частоту единичного усиления, то есть значение частоты, при которой коэффициент усиления ОУ равен 1, и скорость нарастания выходного напряжения ОУ. При расчёте усилителей постоянного тока и напряжения выбирают ОУ с минимальным напряжением смещения входа и минимальным температурным дрейфом выходного напряжения, приведённым к входу усилителя.

2.2. Инвертирующая и неинвертирующая схемы усилителей на оу.

К

(1)

оэффициент усиления инвертирующего усилителя (рис. 1) определяется по формуле

К_u = Z₂/Z₁,

где Z₁ = R₁, а Z₂ = R₂.

R^₁ R₂

U_вх2

+U_п

R₁

U_п

U_вх1

U_вых

Рис. 1. Схема инвертирующего усилителя на ОУ

Расчёт в этом случае сводится либо к выбору R₂ и определению значения R₁, либо, наоборот, к выбору R₁ и определению R₂. Минимальное значение R₂ ограничено предельно допустимым значением сопротивления внешней нагрузки ОУ, а максимальное – его входным током. Ток делителя R₁R₂ должен, как минимум, на порядок превышать входной ток ОУ. Полагая, что инвертирующий вход ОУ имеет приблизительно нулевой потенциал, при выборе R₁ следует учитывать выходное сопротивление электрической цепи (его надо прибавить к сопротивлению R₁), нагруженной на вход данного усилителя.

Например, полагая R₁ = 2 кОм, а требуемое значение К_u = 20, получим

R₂ = 40 кОм. Если выходное сопротивление источника сигнала, подаваемого на вход R_вых = 100 Ом, то R_1 = 2,1 кОм, а R₂ = 42 кОм.

Следует также отметить то, что в инвертирующем усилителе фаза выходного напряжения сдвигается на 180° относительно входного.

Если R₁ заменить на С₁, то тогда Z₁ = 1/jC и мы получаем дифференцирующий усилитель, а если R₂ заменим на С₂, то Z₂ = 1/jC и мы получаем интегрирующий усилитель (интегратор).

Число входов инвертирующего усилителя можно увеличить, добавив сопротивление R₁ на инвертирующем входе ОУ. Такая схема позволяет суммировать и усиливать несколько сигналов.

Схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис. 2. Исходя из условия виртуального замыкания входных цепей ОУ напряжение на инвертирующем входе будет повторять напряжение сигнала. При этом коэффициент усиления К_u = 1 + R₂/R₁. Соображения по выбору R₂ остаются прежними. Например, для получения К_u = 50, полагая R₁ = 2 кОм, получим R₂ = (50 – 1)R₁ = 98 кОм. Напряжение на выходе данного усилителя совпадает по фазе с входным напряжением.

R₂

R₁ +U_п

U_вых

U_вх U_п

Рис. 2. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ