Методические указания

Операционные усилители занимают особое место среди аналоговых интегральных микросхем, предназначенных для усиления, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Операционные усилители являются наиболее универсальным многофункциональным базовым элементом для построения многих узлов, используемых не только для линейного преобразования, усиления и обработки сигналов, но и для нелинейного преобразования.

При анализе схем на ОУ обычно принимают следующие упрощающие предположения (при R_{вх оу} и К_{U оу} ):

1) входы ОУ не потребляют тока;

2) напряжение между входами ОУ равно нулю.

Инвертирующий усилитель (рис. 1) представляет собой ОУ, охваченный цепью параллельной отрицательной обратной связи по напряжению на резисторах R2, R1. Цепи частотной коррекции и установки нуля на рисунке 1 не показаны. Входной сигнал подан на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход заземлен.

Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен и разность напряжений между входами U = U_вых / К_{вx оy} пренебрежимо мала, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли. Поэтому:

I_вх = U_вх / R1.

Так как входы идеального ОУ не потребляют тока, то:

I_ос = I_вх = U_вх / R1.

Выходное напряжение, то есть напряжение на выходном выводе относительно общей шины, можно найти как падение напряжения от тока I_ос на резисторе R2, т. е.:

U_вых = – I_oc R2 = – U_вх R2 / R1.

Отсюда коэффициент усиления инвертирующего усилителя:

К_Uинв = U_вых / U_вх = – R2/R1.

При заданной ЭДС источника сигнала Е_г с внутренним сопротивлением R_г 0 формула (3) примет вид:

К_Uинв = U_вых / Е_г = – R2 / (R1+ R_г )

Входное сопротивление инвертирующего усилителя при идеальном ОУ определяется сопротивлением резистора R1, R_{вх инв} = R1. Выходное сопротивление R_{вых инв} 0.

Неинвертирующий усилитель (рис. 2) представляет собой ОУ, охваченный цепью последовательной отрицательной обратной связи по напряжению на резисторах R2, R1. Входной сигнал подан на неинвертирующий вход. Выражение для коэффициента усиления этой схемы можно получить, используя условие равенства напряжений на входах ОУ и считая ОУ идеальным. Тогда:

U_вх = U_вых R1 / (R1+R2).

Отсюда коэффициент усиления схемы:

К_Uнеинв= U_вых / U_вх = 1+ (R2/R1) = 1 +│К_Uинв│.

Наличие внутреннего сопротивления источника сигнала не влияет на значение коэффициента усиления схемы, так как входные токи ОУ равны нулю. Для реальных ОУ сопротивления во входных цепях делают равными для уменьшения токовой составляющей погрешности U_{вых ош}.

Вследствие наличия в схеме неинвертирующего усилителя последовательной отрицательной ОС по напряжению, его входное сопротивление возрастает в F раз. При неидеальном ОУ:

R_{вх неинв} = R_{вх оу} F R_{вх оу} K_{U оу} / K_{U неинв}

Инвертирующий сумматор (рис.3) предназначен для формирования напряжения, равного усиленной алгебраической сумме нескольких входных сигналов, т.е. он выполняет математическую операцию суммирования нескольких сигналов. При этом выходной сигнал дополнительно инвертируется.

В результате, сигнал на выходе инвертирующего сумматора можно рассчитать в соответствии с выражением:

U_вых = -U_вх1R_ос/R₁ -U_вх2R_ос/R₂ -U_вх3R_ос/R₃ -… -U_вхnR_ос/R_n .

Контрольные вопросы

1. Каковы общие принципы построения линейных звеньев на ОУ?

2. Каковы основные достоинства интегральных ОУ?

3. Чем ограничено максимальное значение выходного напряжения каскадов на ОУ?

4. Какое влияние оказывает отрицательная ОС на стабильность коэффициента усиления?

5. Каким образом влияет обратная связь на входное и выходное сопротивления усилителя?

6. Как работает схема сумматора на ОУ?

7. От чего зависит полярность выходного напряжения сумматора?

Лабораторная работа №5