Исследование операционного усилителя. Изучение влияния отрицательных внешних обратных связей (Лабораторная работа № 4)

Лабораторная работа 4. Исследование операционного усилителя

Цель работы

1. Знакомство с устройством и работой операционного усилителя (ОУ).

2. Исследование характеристик ОУ.

3. Изучение влияния отрицательных внешних обратных связей.

Краткие теоретические сведения

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественный усилитель постоянного тока (УПТ) работающий в режиме глубокой отрицательной обратной связи (ООС) и предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами.

Это наиболее распространенная аналоговая интегральная микросхема (ИМС). В ОУ сосредоточены основные достоинства усилительных схем. Идеальный операционный усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению (), большое входное сопротивление (10⁵ Ом), малое выходное сопротивление (десятки Ом), минимальный дрейф нуля, усиливает сигналы в широком спектре частот: от нуля до десятков мегагерц.

Схемные обозначения ОУ приведены на рис. 4.1 а,б.

ОУ имеет два входа: вход 1 называют инвертирующим, вход 2 – неинвертирующим.  Выходное напряжение связано с входными напряжениями  и  соотношением

.                                   

Из (4.1) следует, что ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба входа (синфазный входной сигнал).

В качестве источника питания ОУ используют двуполярный источник напряжения (). Средний вывод этого источника, как правило, является общей шиной для входных и выходных сигналов. Применение двух источников питания при подключении нагрузки к их общей точке позволяет формировать на выходе двуполярное напряжение. Следовательно, передаточная характеристика  усилителя расположена в двух квадрантах. На рис. 2 а,б приведены передаточные характеристики идеального ОУ соответственно для неинвертирующего (рис. 2, а) и инвертирующего (рис. 2, б) входов. У реальных ОУ они могут быть смещены (см. пунктирную линию 1 на рис 2 а,б) на величину , называемую напряжением смещения.

На рис. 4.3. приведена функциональная схема ОУ. Входным каскадом любого ОУ является симметричный дифференциальный усилительный каскад, определяющий разность напряжения между двумя входами и усиливающий её. Основное назначение входного дифференциального усилительного каскада – максимальное снижение дрейфа нуля, вызываемого нестабильностью источника питания, изменением температуры и другими факторами окружающей среды, а так же он служит для получения максимально высокого входного сопротивления и достаточно высокого усиления. Дифференциальные каскады строятся как на биполярных, так и на полевых транзисторах. Для повышения входного сопротивления биполярные транзисторы включают составными, позволяющими получить высокие коэффициенты усиления по току. Каскады на полевых транзисторах обладают  очень высоким входным сопротивлением, но имеют сравнительно большие напряжение смещения нуля и его температурный дрейф.

Выходным каскадом ОУ обычно является эмиттерный повторитель (ОК), обеспечивающий его требуемую нагрузочную способность . Высокий коэффициент усиления ОУ по напряжению достигается благодаря двум-трем ступеням усиления, включенным между входным и выходным каскадами и реализуемым как правило на несимметричных дифференциальных усилительных каскадах (НДУ). Помимо этого ОУ содержит элементы и целые каскады, служащие для создания источников стабильного тока; сдвига уровней напряжения в тракте усиления; создания ООС по синфазным ошибкам усиления и др.

Несмотря на то, что ОУ концентрирует в себе лучшие свойства усилителей, непосредственно в качестве усилителя ОУ без обратных связей не используется, что обусловлено двумя причинами.

1. Линейный участок передаточной характеристики  (рис. 4.2), называемый областью усиления, ограничен малыми входными напряжениями.

2. Собственный коэффициент усиления по напряжению имеет большой разброс.

По этому основное применение имеют ОУ с ООС. Если входное напряжение подается на неинвертирующий вход , а ООС подается на инвертирующий вход , то имеем неинвертирующий масштабный ОУ с ООС по напряжению (см. рис. 4.4.). Коэффициент усиления с ООС , равный

, уменьшается (), он стабилизирован, линейный участок характеристики увеличивается, возрастает, уменьшается.

Наибольшее практическое применение имеют инвертирующие ОУ с параллельной ООС по напряжению (рис. 4).

            На базе таких ОУ создаются схемы, предназначенные для выполнения различных математических операций над входными сигналами. Такие схемы находят широкое применение в устройствах автоматического управления.