Стислі теоретичні відомості

В наш час аналогові електронні системи створюються здебільшого на базі операційних підсилювачів. Про це можна сказати інакше: основною елементною базою сучасних аналогових електронних систем є операційний підсилювач.

Операційним підсилювачем (ОП) називається диференціальний підсилювач електричних сигналів, у якого вихідна напруга пропорційна різниці вхідних напруг і (рис.8.1):

,

де – коефіцієнт посилення ОП по напрузі.

Вхід ОП, на який подається напруга , називається інвертуючим, а інший вхід, відповідно – неінвертуючим. Струми, що протікають по вхідних ланцюгах ОП, визначаються вхідним опором ОП.

ОП є багатокаскадним підсилювачем постійного струму, що задовольняє таким умовам:

· коефіцієнт посилення по напрузі ОП прямує до нескінченності і в реальних схемах складає ;

· вхідний опір прагне до нескінченності;

· вихідний опір прагне до нуля (R вых > 0), але в реальних схемах його типове значення для більшості схем ОП приймається рівним 2 кОм;

У переважній більшості випадків ОП працює в сукупності з електричними ланцюгами, що пов'язують його вихід з інвертуючим входом і створюючими таким чином негативний зворотний зв'язок.

Прикладом такої схеми є неінвертуючий підсилювач (рис. 8.1). Значення резистора ланцюга зворотного зв'язку в цій схемі вибирається набагато менше вхідного опору ОП. Тому при розгляді роботи цієї схеми ми маємо право нехтувати вхідними струмами ОП.

Рис. 8.1

Аналіз цієї схеми показує таку залежність між вихідною та вхідною напругами

,

де – коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача.

З даної формули видно важливу першу властивість, притаманну всім схемам на ОП, охопленому негативним зворотним зв'язком: робота схеми визначається тільки параметрами ланцюга зворотного зв'язку і не залежить від параметрів ОП. Саме цією властивістю схем на ОП пояснюється той факт, що майже вся аналогова електроніка в наш час будується на базі ОП.

Другу властивість схем з негативним зворотним зв’язком можна знайти, підставивши значення Uy у вираз для визначення U_x

, тобто напруги на обох входах ОП рівні. Ця властивість схем на ОП значно спрощує їх розрахунок.

Використовуючи ці дві властивості, розглянемо роботу інвертуючого підсилювача (рис.8.2).

Рис.8.2

З другої властивості схем із зворотнім зв’язком витікає, що напруга на інвертуючому вході рівна нулю, а це значить, що U_x і завжди мають протилежну полярність. По першому закону Кирхгофа (рис.8.4) одержуємо: . Це можна записати, якщо знехтувати значенням вхідного струму ОП. Тому

.

Звідси витікає рівняння інвертуючого підсилювача:

, в якому – коефіцієнт підсилення інвертуючого підсилювача.

Графічно зв'язок між вхідними і вихідними напругами електронних вузлів описується передавальною характеристикою. На рис. 8.3 представлені передавальні характеристики інвертуючого (ІП) і неінвертуючого (НП) підсилювачів, для випадків, коли .

Рис.8.3

Як видно з характеристик модуль вихідної напруги ОП обмежений. Максимум значення модуля вихідної напруги ОП визначається величиною напруги живлення. Це значення модуля називається напругою насичення. Слід сказати, що вказані вище дві властивості охопленого від’ємним зворотним зв’язком ОП існують лише тоді, коли модуль вихідної напруги ОП менший за напругу насичення.

Порядок виконання роботи

Робота виконується на стенді ЕС-23

1. Дослідження неінвертуючого підсилювача (рис.8.4)

Рис.8.4.

1.1. Встановити змінну пластину № 1.2.

1.2. На панелі «Підсилювач, компаратор» натиснути кнопку «НП», а також встановити коефіцієнт посилення рівний 1, натискуючи кнопку «1».

1.3. На панелі джерело «Джер.2» натиснути кнопку вибору режиму постійного струму.

1.4 Включити стенд.

1.5 Обертаючи ручку джерела «Джер.2» встановити на вході підсилювача значення напруг, вказані у верхньому рядку табл. 8.1. Величина напруги вимірюється вольтметром .

Напругу на виході підсилювача виміряти за допомогою вольтметра Uвих і результати записати в другий рядок табл. 8.1

1.6. Повторити експеримент по п. 1.5. двічі: для значень коефіцієнта k =10 і k =100. Вибір цих значень, здійснюється натисненням відповідної кнопки «10» або «100» на панелі «Підсилювач, компаратор».

Набуті значення вихідної напруги занести у відповідні рядки табл. 8.1.

1.7. Вимкнути стенд.

Таблиця. 8.1

Підсилю-вач	Uвх,. В	+2.5	+2	+1.5	+1	+0.5	+0.2	+0.1	+0.05
Неінвер-туючий	Uвих,В k=1
Uвих, В k=10
Uвих, В k=100
Інвер- туючий	Uвих, В k=1
Uвих,В k=10
Uвих,В k=100

Продовження табл.8.1.

Підси-лювач	Uвх,В	0	-0.05	-0.1	-0.2	-0.5	-1	-1.5	-2	- 2.5
Неін-вер-тую-чий	Uвих,В k=1
Uвих,В k=10
Uвих,В k=100
Інвер- тую-чий	Uвих,В k=1
Uвих,В k=10
Uвих,В k=100

 

2. Дослідження інвертуючого підсилювача (рис.8.5)

2.1. Встановити змінну пластину №1.3.

2.2 На панелі «Підсилювачі, компаратор» натиснути кнопку «ІУ», а також встановити коефіцієнт підсилення, рівний 1, натиснувши кнопку «1».

2.3. На панелі джерела «Джер. 1» натиснути кнопку вибору режиму постійного струму.

2.4. Повторити дії пп.1.4, 1.5, 1.6, змінюючи вхідну напругу підсилювача обертанням ручки джерела Джер.1 і заносячи набуті значення вихідної напруги у відповідні рядки табл. 5.1

 

Рис.8.5.

3. За даними табл. 8.1. побудувати передавальні характеристики неінвертуючого і інвертуючого підсилювачів для значень коефіцієнтів посилення 1, 10, 100.

Контрольні питання.

1. Який підсилювач можна вважати операційним?

2. Які параметри операційних підсилювачів вам відомі?

3. Як операційний підсилювач зображується на схемах?

4. Поясніть назви входів операційного підсилювача.

5. Яка властивість схем на операційних підсилювачах забезпечила широкий вжиток ОП?

6. Чи може бути коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача меншим за одиницю?

7. Чим обмежений модуль значення вихідної напруги ОП?

 

 

Лабораторна робота №9
Дослідження елементів, що виконують логічні операції

Мета роботи: ознайомитися з принципом і режимом роботи логічних елементів.

При виконанні роботи визначаються передавальні характеристики логічного елементу при різних опорах навантаження, а також складаються таблиці станів для логічних елементів «І», «НІ», «АБО», «АБО-НІ», «І-НІ».

Робота виконується на лабораторному стенді ЕС-21.