Свойства и навыки сборки схем усилительных каскадов на операционном усилителе

1. ПРОСТЕЙШИЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ НА ОУ

Цель работы – изучить свойства и приобрести навыки сборки схем усилительных каскадов на операционном усилителе (ОУ).

1. Краткое описание лабораторной работы

1. В лабораторной работе рассчитывается, монтируется и исследуется универсальная усилительная схема на ОУ TL082 с двуполярным питанием ±10В.
2. Исследуется зависимость выходного напряжения от входного напряжения с различными напряжениями смещения в режиме постоянного тока. При этом схема используется и в качестве неинвертирующей, и в качестве инвертирующей.
3. Построенные статические характеристики усилительных каскадов сравниваются с теоретически рассчитанными зависимостями.
4. Измеряются напряжение насыщения и напряжение смещения предложенного ОУ.
5. С использованием лабораторного генератора и осциллографа исследуются частотные свойства неинвертирующего усилительного каскада.

1. Основные теоретические сведения

Самыми простыми и широко известными схемами на ОУ являются так называемые схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителя, подробно описанные в любом учебнике.

Инвертирующий усилитель (рис. 66, а) изменяет знак выходного напряжения UВЫХ по отношению к входному напряжению UВХ на противоположный.

[pic 1]

а        б[pic 3][pic 4][pic 5][pic 6]

Рис. 66. Усилители на ОУ и их геометрическая интерпретация: а – инвертирующий; 6 –

неинвертирующий

Коэффициент усиления kU инвертирующего усилителя рассчитывается с помощью простого выражения

1. kU = UВЫХ / UВХ = –R2/R1

Данное выражение может быть легко выведено с использованием простейших соображений, также известных как золотые правила операционного усилителя. В частности, если учесть, что во вход ОУ ток не течет, а напряжения на его входах в усилительном режиме равны, то напряжение на инвертирующем входе ОУ на схеме рис. 66, а, оказывается равным нулю. Для данной схемы про инвертирующий вход ОУ еще говорят, что он виртуально заземлен. При этом через резистор R1 будет протекать ток I = UВХ / R1. При UВХ > 0 ток будет вытекать из источника входного сигнала. Весь этот ток протекает через резистор R2, создавая на нем падение напряжения величиной I⋅R2 = UВХ⋅R2/R1. Так как вывод резистора, подключенный к инвертирующему входу ОУ, виртуально заземлен, то выходное напряжение будет численно

равно UВХ⋅R2/R1, а знак напряжения на выходе схемы при положительном входном напряжении будет отрицательным, и наоборот. Входное сопротивление инвертирующего усилителя по той же причине оказывается численно равно R1.

Неинвертирующий усилитель на ОУ (рис. 66, б) сохраняет на выходе знак входного напряжения и его коэффициент усиления рассчитывается по следующей формуле:

1. kU = UВЫХ / UВХ = 1 + R2/R1

Вывод этой формулы совершенно аналогичен формуле для инвертирующего усилительного каскада. С учетом золотого правила ОУ напряжение на инвертирующем входе оказывается равным напряжению UВХ, действующему на неинвертирующем входе; через резистор R1 протекает ток I = UВХ / R1. Этот ток создает на резисторе R2 падение напряжения величиной I⋅R2 = UВХ⋅R2/R1. По правилу Кирхгоффа выходное напряжение каскада относительно земли равно сумме падений напряжений на резисторах R1 и R2 и составляет, соответственно, UВХ + UВХ⋅R2/ R1 = UВХ⋅(1 + R2/ R1).