Теоретичні відомості. Тема. Дослідження операційного підсилювача за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench.

Лабораторна робота №10

Тема. Дослідження операційного підсилювача за допомогою програмного комплексу Electronics Workbench.

Мета роботи: вивчення принципів роботи, головних параметрів та характеристик операційного підсилювача ОП, дослідження ОП у вигляді масштабного підсилювача, суматора, диференціатора та інтегратора.

Теоретичні відомості

Досліджуваний підсилювач називається операційним тому, що він може використовуватись для виконання різних математичних операцій над сигналами: алгебраїчного додавання, віднімання, множення на постійний коефіцієнт, інтегрування, диференціювання, логарифмування і т.д. Операційним часто називають підсилювач напруги з великим коефіцієнтом підсилення, охоплений ланцюгом від’ємного зворотного зв’язку, який визначає основні якісні показники та характер виконуваних підсилювачем операцій. Сучасні ОП виконуються на базі інтегральних мікросхем операційного підсилювача ІМС ОП, до виводів якої, крім ланцюга від’ємного зворотного зв’язку, підключаються джерело живлення, вхідних сигналів, опору навантаження, ланцюги корекції частотних характеристик ОП в інтегральному виконанні та інші ланцюги.

Рисунок 14.1 - Умовне позначення ОП. Види вхідних напруг

На рис.14.1а показано умовне позначення ОП з одним виходом та двома входами: прямим та інверсним. Інверсний вхід позначають знаком інверсії (колом) або позначають знаком “-“. Прямий вхід 1 не має знака інверсії або його позначають знаком “+”. В загальному випадку на виводи ОП 1 та 2 надходять напруги U_ВХ1 та U_ВХ2, які називають напругами загального виду. З них виділяють синфазний U_СФ = (U_ВХ1+U_ВХ2)/2 та диференційний U_ДИФ = U_ВХ1 – U_ВХ2 сигнали (рис.14.1б). Відносно U_СФ потенціал вхідного виводу 1 вище, а виводу 2 – нижче на значення ΔU, а диференційний (різницевий) сигнал Uдиф = 2ΔU. Операційний підсилювач призначений для підсилення невеликого (диференційного) сигналу. Синфазний сигнал схемою ОП повинен бути максимально ослаблений. Вихідна напруга U_ВИХ знаходиться у фазі (синфазно) з напругою на вході 1 U_ВХ1, та протифазно напрузі на вході 2 U_ВХ2.

Рисунок 14.2 – Амплітудна характеристика операційного підсилювача

В залежності від того, на які входи ОП діють вхідні сигнали, розрізняють три схеми підключення ОП в інтегральному виконанні: інвертувальні, неінвертувальні та диференціальні (рис.14.3-14.5). Ці схеми мають ряд загальних особливостей: 1- наявність елементів від’ємного зворотного зв’язку ВЗЗ; 2 – при виводі аналітичних виразів для оцінки основних параметрів ОП приймають значення , так як ІМС ОП мають дуже високий коефіцієнт підсилення напруги (); 3 – вхідний струм вважають рівним нулю, так як ІМС ОП має високий вхідний опір (R_ВХОП®¥).

Інвертувальний операційний підсилювач (рис.14.3a). В цій схемі вхідний сигнал подається на інвертувальний (інверсний) вхід ІМС ОП, а його неінвертувальний (прямий) вхід заземлений. Підсилювач називається інвертувальним, так як вихідна напруга U_ВИХ інвертувальна (протифазна) відносно вхідної напруги U_ВХ. Від’ємний зворотний зв’язок відтворюється при допомозі опору R₂, R₁ (паралельний ВЗЗ за напругою).

Так як вхідний струм ІМС ОП І_ВХОП=І_å@0, то

(14.1)

Оскільки диференційна вхідна напруга ІМС ОП U_ДИФ@(К_UОП ® ¥), а R_ВИХОП®∞, то І_ВХ=U_ВХ/R₁, то І_ВХ=U_ВХ/R₁

(14.2)

Вихідна напруга в останньому виразі входить із знаком мінус, так як вона знаходиться у протифазі вхідній напрузі.

На основі співвідношень (14.1, 14.2) одержимо вираз для визначення коефіцієнта підсилення напруг схемою інвертувального ОП:

(14.3)

Якщо ввести позначення глибини ВЗЗ яка при виконанні умови R₂ >>R₁ дорівнює b_взз»R₁/R_2, то , якщо R₁=R₂, то К_UОП=-1, ОП стає інвертувальним повторювачем напруги, у якого U_ВИХ =-U_ВХ. Вхідний опір інвертувального ОП R_ВХОП =R₁, а вихідний опір .

Неінвертувальний вхід ІМС ОП через опір R₃ з'єднаний з землею, тому його потенціал дорівнює нулю, а, відповідно, дорівнює нулю і потенціал інвертувального входу, оскільки U_ДИФ@0. Тому на входах цієї ІМС ОП синфазний сигнал відсутній. Оскільки R_ВХ реальної мікросхеми ОП не дорівнює безконечності, то через її входи протікають незначні вхідні струми, які при U_ВХ@0 можуть визвати помилкові зміни вихідного сигналу. Для їх компенсації необхідно забезпечити рівність опорів входів ІМС ОП. Тому в схему вводиться опір .

Інвертувальний ОП (рис.14.3a) може використовуватись для зміни масштабу вхідної напруги множенням її на постійний коефіцієнт (-R₂/R₁), а також для алгебраїчного додавання вхідних сигналів (як аналоговий суматор рис.14.3б). Напруга на виході такої схеми

якщо R₁=R₂=R, то .

А)

Б)

Рисунок 14.3 - Інвертувальна схема ввімкнення операційного

підсилювача (a), аналоговий суматор (б)

Неінвертувальний операційний підсилювач (рис.14.4). У цій схемі вхідний сигнал подається на інвертувальний вхід ІМС ОП. На його інвертувальний вхід за допомогою подільника вихідної напруги, виконаного на опорах R₁ і R₂, подається напруга ВЗЗ Uвзз=UвихR₂/(R₁+R₂). У схемі діє послідовний ВЗЗ за напругою, глибина якого

(14.4)

а диференційна напруга, прикладена до ІМС ОП U_ДИФ=U_ВХ-U_ВЗЗ.

Оскільки коефіцієнт підсилення напруги ІМС ОП К_U @¥,то U_ДИФ 0 та

(14.5)

Із цього співвідношення витікає, що коефіцієнт підсилення напруги схемою неінвертувального ОП

K_UОП = (14.6)

вхідний опір неінвертувального ОП а вихідний опір

У цьому ввімкненні ІМС ОП потенціали його входів залишаються приблизно однакові, оскільки U_ДИФ@0, і дорівнюють значенню U_ВХ, тобто на входах ІМС ОП діє синфазний сигнал, значення якого близьке до U_ВХ. При виконанні умови R₁=0, R₂@¥, вираз (14.6) прийме вигляд

K_UОП =1,

тобто операційний підсилювач буде виконувати функцію неінвертувального повторювача напруги, у якого U_ВИХ=U_ВХ (рис. 14.4б).

а) б)

Рисунок 14.4 - Неінвертувальна схема ввімкнення операційного підсилювача (a), неінвертувальний повторювач напруги (б)

Рисунок 14.5 - Диференційний операційний підсилювач

Вихідна напруга дорівнює алгебраїчній сумі напруг, які є результатом дії сигналів на відповідних входах ІМС ОП

Якщо виконуються умови R₂=R₃, R₁=R₄, то U_ВИХ=U_ВХ1-U_ВХ2, тобто схема віднімає вхідні напруги.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: