Операционный усилитель отличается наличием дифференциального входа и однотактного выхода:

1 – вход инвертирующий; 2 – вход неинвертирующий; 3 – выход.

Для электропитания операционного усилителя применяется двухполярный источник питания: +U_п и –U_п.

Входные сигналы при использовании операцион­ного усилителя формируются при подаче на оба входа операционного усилителя или подключением к одному из входов, одновременно заземляя второй вход операционного усилителя.

Параметры, свойства и характеристики операционного усилителя.

К основным параметрам операционного усилителя относятся следующие [1]:

1. Напряжение смещения (U_см), которым называется величина входного напряжения, обеспечивающая напряжение на выходе (U_вых), равное нулю.

2. Коэффициент усиления по напряжению (K_U) определяется отношением прираще­ния напряжения на выходе операционного усилителя к приращению напряжения на его входе

.

3. Входным током (I_вх) называют ток, протекающий по инвертирующему входу (I_вх1) и неинвертирующему входу (J_вх2) операционного усилителя.

4. Разность входных токов определяется приращением тока между входами операционного усилителя ΔI_вх =| I_вх1 – I_вх2|.

5. Входное сопротивление (R_вх) определяется рассчитанным сопротивлением между входами операционного усилителя.

6. Выходное сопротивление операционного усилителя (R_вых) рассчитывается по формуле

.

В результате поступления на вход операционного усилителя напряжения в виде импульса прямоугольной формы рассчитывается максимальная скорость нарастания напряжения на выходе операционного усилителя, которая определяет динамические свойства операционного усилителя.

Частота, при которой величина коэффициента усиления операционного усилителя, примерно равна единице, определяет частотную полосу операционного усилителя единичного усиления.

Дестабилизирующие факторы значительно влияют на параметры и характеристики операционного усилителя, например, параметры усилителя существенно зависят от температуры окружающей среды. Коэффициент усиления, входные токи и напряжение смещения операционного усилителя в большей степени зависят от температуры окружающей среды.

Особенностью операционного усилителя является низкое выходное сопротивление и высокое входное.

Поскольку операционный усилитель характеризуется двухполярным питанием, то его передаточная характеристика, приведенная на рис. 2.2 [1], представлена в двух квадрантах.

В соответствии с приведенными передаточными характеристиками, выходное напряжение операционного усилителя максимально ограничивается величиной напряжения питания усилителя. В соответствии с этим, определяется максимальное напряжение на выходе операционного усилителя, равное напряжению насыщения. Как правило, напряжение насыщения определяется на один вольт меньше напряжения питания.

Устройство операционного усилителя следующее.

 Операционные усилители в интегральном исполнении построены на основе усилительных каскадов по напряжению на биполярных и полевых транзисторах. На входе интегрального усилителя включен дифференциальный усилительный каскад, который позволяет обеспечить устойчивость к воздействию дестабилизирующих факторов (изменению температуры окружающей среды, сопротивлению нагрузки, нестабильности источника питания), достаточно высокое входное сопротивление каскада, высокий коэффициент усиления входного сигнала, уменьшить дрейф нуля на выходе усилителя.

Рис. 2.2. Передаточные характеристики операционного усилителя

по неинвертирующему (а) и инвертирующему (б) входам

Для согласования выходного сигнала дифференциального усилителя с выходным каскадом усилителя мощности, согласования фаз сигналов, усиления передаваемого сигнала по напряжению и току между входным и выходным каскадами включен согласующий каскад.

На выходе интегрального усилителя сформирован усилитель мощности на биполярных транзисторах, работающий по двухтактной схеме в классе усиления АВ.

Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд для изучения операционного усилителя включает следующие структурные компоненты: операционный усилитель, имеющий двухполярное электропитание ±15 В, встроенный источник питания ±15 В, устройства на основе операционного усилителя: инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель и дифференциальный усилитель, которые структурно формируются подключением к операционному усилителю с помощью переключателей SB1 – SB7. Для установки нуля операционного усилителя на лабораторном стенде подключены соответствующим образом ко входам установки нуля усилителя и источнику питания переменные резисторы R₀ и R_бал.

На лабораторном стенде приведена информация о клеммах для подачи входных напряжений и контроля входных и выходных сигналов: инвертирующего усилителя U_вх.ин – 1А, 1Б; неинвертирующего усилителя U_{вх.неин} – 2А, 2Б; дифференциального усилителя U_{вх1 ДУ} – 3А,3 Б; U_{вх2 ДУ} –
4А, 4Б; клеммы для контроля выходного напряжения U_вых – 6А, 6Б и клеммы корпуса – 7А, 7Б.

На стенде также предусмотрены переключатели «Сеть» и «Питание ОУ» – питание операционного усилителя.

Схема лабораторного стенда по изучению устройств на основе операционного усилителя приведена на рис. 2.3.

Порядок выполнения работы

 При выполнении лабораторной работы исследуются следующие устройства с использованием операционного усилителя: инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель и дифференциальный усилитель.

Инвертирующий усилитель

 1. Выполнить расчет инвертирующего усилителя по следующим исходным данным: температурный коэффициент ТКЕ = 50 мкВ/К; напряжение смещения U_см = 50 мВ; С – 1 мкФ; сопротивление нагрузки R_н = 100 кОм;

Рис. 2.3. Схема лабораторного стенда для исследования