Инвертирующий усилитель
Инвертирующий усилитель изображен на (рис. 1.12)
Рис. 1.12
Входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по фазе на 180°. Изменение знака выходного сигнала относительно входного создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора Rос параллельной обратной связи по напряжению. Неинвертирующий вход связан с общей точкой входа и выхода схемы (заземляется). Входной сигнал подается через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ.
Благодаря высокому коэффициенту усиления усилителя без ОС для изменения выходного напряжения усилителя во всем рабочем диапазоне достаточно весьма малого значения Uз (обычно Uвых.max < Uи.п.).
Если на схему подать положительное входное напряжение Uвх, то Uq станет положительным и выходной потенциал начнет снижаться. Выходное напряжение будет меняться в отрицательном направлении до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе в точке А не станет почти нулевым: Uq = Uвых / Kоу >> 0.
Таким образом, R1 и Rос действует как делитель напряжения между Uвых и Uвх и Uвых / Uвх = Rос / R1.
Точка А называется потенциально заземленной, поскольку потенциал почти равен потенциалу Земли,так как Uq >> 0.
Если принять Rвх.оу и входной ток ОУ Iоу = 0, то
IR1 = (Uвх - Uq) / R1 и IR1 = - (Uвых - Uq) / Rос,
следовательно
(Uвх - Uq) / R1 = - (Uвых - Uq) / Rос.
Полагая,что Uq >> 0 и К , запишем
Uвх/R1 = Uвых/Rос, Кос = Uвых/Uвх = - Rос/R1
Таким образом, коэффициент усиления инвертирующего каскада ОУ зависит только от параметров внешней цепи и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ. Обычно R1 выбирается так, чтобы не нагружать источник напряжения Uвх, а Rос должно быть достаточно большим, чтобы чрезмерно не нагружать операционный усилитель.
Если выбрать Rос = R1, когда Кuос = - 1, то схема (рис. 1.12) получит свойства инвертирующего повторителя напряжения(инвертор сигнала).
Поскольку Uq 0, входное сопротивление схемы Rвх = R1, выходное сопротивление усилителя:
Rвых = ((Rвых оу (1+Rос/R1)) / Кu,оу
При Кu,оу , Rвых 0.
Внешняя компенсация сдвига.
Некоторые усилители имеют встроенные регулировочные элементы для устранения сдвига. В усилителях, которые не имеют внутренних средств для устранения нуля Uсдв, приходится добавлять внешнюю резисторную цепь для компенсации напряжения сдвига.
В схеме на (рис. 1.13), хотя Iсм и невелик, но он все же существует и, если даже Uсдв равно нулю, Iсм, протекая через параллельное соединение сопротивлений R1 и Rос, вызовет появление на выходе напряжения Uсдв.вых (Iсм), равного Iсм(R1 || Rос).
Поскольку ток смещения неинвертирующего входа Iсм2 (рис. 1.14) приблизительно равен току смещения, протекающему через инвертирующий вход (Iсм1), то, подключив в цепь неинвертирующего входа сопротивление Rк, равное R1 || Rос, получим напряжение, возникающее на Rк, приблизительно равное напряжению смещения по инвертирующему входу от Iсм1 (R1 || Rос).
Рис. 1.13
Рис. 1.14
Для компенсации Uсдв, вызванного небалансом Uбэ, следует установить делитель, с помощью которого можно было бы компенсировать даже Uсдв.max, не изменяя коэффициент передачи цепи обратной связи.
Схема установки нуля напряжения сдвига (потенциометр Rп) показана на (рис. 1.15).
Рис. 1.15
В этой схеме R3 + R2 = Rк - это условие компенсации напряжения сдвига выхода, вызванного токами смещения. Сопротивление R4 выбирается так, чтобы параллельное соединение R3 и R4, было примерно равно R3. Это означает, что R3 выбирается малым, а R4 - большим. Диапазон регулировки напряжения сдвига приблизительно равен ± U R3/R4, так как R4>>R3. Потенциометр Rп должен иметь достаточно большое сопротивление, чтобы не нагружать источник питания, но вместе с тем, ток через потенциометр должен быть по крайней мере в 20 - 40 раз больше Iсм, так как R3 и R4 образуют делитель напряжения.
Компенсация Uсдв в неинвертирующем усилителе осуществляется аналогично, однако делитель напряжения устанавливается в цепи ОС, так что очень важно, чтобы R4 было много больше R3 (рис. 1.16).
Рис. 1.16
Заметим, что R1 = R3 + R5, и эта сумма используется в выражении для определения коэффициента усиления усилителя с ОС. Сопротивления Rп и R4 выбираются точно так же, как и для инвертирующего усилителя.
Лабораторная работа N1
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Цель работы: изучение основных параметров и характеристик операционного усилителя(ОУ), изучение и исследование основных каскадов на ОУ - инвертирующего и неинвертирующего.
Порядок проведения работы
Работа выполняется на печатной плате, предназначенной для проведения исследований ОУ. Работа выполняется для каждого из ОУ КР140УД708 и К553УД2 , КР140УД708 - ОУ с внутренней коррекцией , К553УД2 - ОУ с внешней коррекцией.
Балансировка ОУ
Собрать схему.
В схеме конденсатор С устанавливается только для ОУ К553УД2.
Рис. 1.17
Изменяя сопротивление с помощью потенциометра R, добиться на выходе микросхемы минимального выходного напряжения или равного нулю. Выходное напряжение регистрировать с помощью осциллографа. Uвх= 0, Uвых= 0 или Uвх= 0 , Uвых Uвых.min
Измерение токов смещения и сдвига.
Собрать схему для измерения Iсм1:
Рис. 1.18
К выходу ОУ подключить вольтметр или осциллограф и замерить напряжение на выходе схемы Uвых 1. Это напряжение вызвано током смещения Iсм, которое создается на резисторе R1. Расчет Iсм проводится по формуле Iсм= Uвых / R1
Собрать схему для измерения Iсм2:
Рис. 1.19
С помощью вольтметра или осциллографа замерить напряжение на выходе ОУ Uвых 2, оно появляется за счет падения напряжения на резисторе R2, при протекании тока смещения Iсм 2. Расчет Iсм 2проводится по формуле Iсм 2 = Uвых / R2
Собрать схему для измерения напряжения сдвига:
Рис. 1.20
С помощью вольтметра или осциллографа, подключенного на выход схемы ОУ, измерить напряжение на выходе Uвых, возникающее за счет Iсм 1и Iсм 2.
Расчитать Iсдв, если R1= R2= R; Iсдв= Uвых / R