Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕМА: «Разработка инвертирующего усилителя постоянного напряжения»

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Коэффициент усиления усилителя с обратной связью:

Кос = 50

Входное сопротивление инвертирующего усилителя:

Rвх = 1000 кОм = 1МОм

Погрешность, обусловленная нестабильностью сопротивления резисторов:

д(ДR) = 10-4

Погрешность, обусловленная нестабильностью коэффициента усиления:

д(Дk) = 10-5, при

Погрешность, обусловленная дрейфом нуля операционного усилителя:

г[ДUсм] = 10-4

Изменение температуры окружающей среды:

Дt = 40?C

ВВЕДЕНИЕ

инвертирующий усилитель постоянный напряжение

В данном проекте мы рассматриваем операционный усилитель с отрицательной обратной связью.

Операционным усилителем обычно называют усилитель постоянного тока, имеющий коэффициент напряжения по напряжению выше тысячи.

Термин «операционный усилитель» возник в аналоговой вычислительной технике, где подобные усилители с соответствующей обратной связью применялись для моделирования различных математических операций (интегрирование, суммирование и т. д.). Появление полупроводниковых ОУ в виде интегральных схем (ИС), имеющих относительно низкую стоимость и высокие технические характеристики, привело к тому, что ОУ очень быстро стал наиболее широко применяемой, универсальной аналоговой интегральной схемой.

Принципиальные схемы интегральных операционных усилителей содержат, как правило, один, два или три транзисторных каскада усиления напряжения (причем входной каскад всегда выполняется по дифференциальной параллельно - симметричной схеме), выходной каскад усиления тока (эммитерный повторитель) и цепи согласования каскадов между собой.

Параметры операционных усилителей , которые характеризуют его качество, весьма многочисленны. Укажем основные из них.

Коэффициент усиления (К) - отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке характеристики

где Uвх = е+ - е-.

Интегральные операционные усилители имеют коэффициент усиления, лежащий в диапазоне 103 - 106. Напряжение смещения (есм) - дифференциальное входное напряжение (е+ - е-), при котором выходное напряжение усилителя равно нулю. Максимальное по модулю значение есм для усилителей, входные каскады которых выполнены на биполярных транзисторах, чаще всего составляет 3 - 10 мВ, у тех ОУ, у которых входной каскад выполнен на полевых транзисторах, напряжение смещения обычно на порядок больше, 30 - 100 мВ.

Средний входной ток (iвх), разность входных токов (Дiвх), входное сопротивление (rвх), выходное сопротивление (rвых), коэффициент влияния нестабильности источника (Кп), входное сопротивление для синфазного сигнала (rсф), коэффициент ослабления синфазного сигнала (Мсф) - эти параметры ОУ тоже относятся к основным параметрам, характеризующих качество операционных усилителей.

Динамические свойства ОУ определяются обычно двумя параметрами: частотной полосой и скоростью изменения выходного сигнала.

Частотная полоса ОУ определяется, как правило, частотной единицей усиления f1, т. е. частотой, на которую коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы.

Значение f1 у большинства интегральных ОУ лежат в диапазоне от долей до нескольких десятков мегагерц.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ (U) определяется при подаче на его вход импульса напряжения прямоугольной формы. Для типовых ОУ максимальная скорость нарастания лежит в диапазоне 0,3 - 50 В/мкс. Так как наибольшая (вероятность) скорость изменения синусоидального сигнала пропорциональна амплитуде и частоте этого сигнала, то ограничение скорости изменения выходного сигнала ОУ приводит к ограничению амплитуды выходного неискаженного гармонического сигнала на высоких частотах.

Параметры ОУ также зависят от температуры окружающей среды.

В данной работе поставлена цель рассчитать параметры схемы операционного усилителя (инвертирующего) с отрицательной обратной связью с учетом погрешностей: от нестабильности сопротивлений навесных элементов, от нестабильности коэффициента усиления, от дрейфа нуля операционного усилителя и от изменения температуры окружающей среды.

ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ИНВЕРТИРУЮЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

Базовая схема инвертирующего усилителя с отрицательной обратной связью представлена на рис.1.

Существуют также схемы инвертирующего усилителя с Т - образной цепью отрицательной обратной связью. Эта схема представлена на рис.2.

Основные преимущества схемы, представленной на рис.1:

· малое число навесных элементов и внешних соединений.

Основные недостатки:

· используется только при R1<1МОм;

· большой диапазон сопротивлений (по значению номинала), необходимых для получения заданных коэффициентов усиления.

Основные преимущества схемы, представленной на рис.2:

· меньший диапазон сопротивлений, необходимых для получения заданных коэффициентов усиления. Для этой схемы справедливы соотношения:

· можно использовать эту схему если R>1МОм.

Основные недостатки:

· большее, по сравнению со схемой, представленной на рис.1, навесных элементов.

Я выбираю схему, представленную на рис.2, так как Rвх = R1 = 1МОм.

РАСЧЕТ НОМИНАЛОВ И ВЫБОР ТИПОВ НАВЕСНЫХ РЕЗИСТОРОВ

Для уменьшения погрешности, определяемой неточностью используемых резисторов, используем точные резисторы одинакового типа.

Я выбираю металлопленочные резисторы, которые содержат резистивный элемент в виде очень тонкой металлической пленки, осаждаемой на основание из керамики или другого изоляционного материала. Металлопленочные резисторы характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и напряжения и высокой надежностью. Недостатком некоторых МЛТ резисторов является пониженная надежность при повышенной номинальной мощности, особенно при импульсной нагрузке. В данной конструкции эти резисторы используются в сигнальных цепях и нет превышения номинальной мощности ТКС резисторов МЛТ не превышает 0,02% ?С. Уровень шумов резисторов группы А не более 1мкВ/В, группы В не более 5мкВ/В.

Максимальная рабочая температура +125 ?С.

Максимальную рассеиваемую мощность на резисторе я выбираю 0,125 Вт. Допускаемое отклонение сопротивления ± 5%, соответствующее ряду Е24. Эти данные рассчитаны с помощью формул:

Для упрощения расчета сопротивления резисторов R2 и R3 принимаем равным R1 = 1МОм.

Для уменьшения погрешности, и т. к. нет резистора R4 в ряде Е24 на 20,8 кОм, то:

R4 = R4,1 + R4,2 + R4,3 .

R4 я составлю из трех последовательно соединенных резисторов:

R4,1 = 15кОм; R4,2 = 4,7кОм; R4,3 = 1,1кОм.

Таким образом схема примет вид:

ВЫБОР ТИПА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Тип операционного усилителя выбираем по коэффициенту усиления и по температурному коэффициенту напряжения смещения.

Рассчитаем коэффициент обратной связи:

Мультипликативная погрешность от изменения коэффициента усиления ОУ К:

Отсюда найдем К:

Аддитивная погрешность обусловлена дрейфом UCM:

Из этого выражения выразим ТК UCM:

Значение коэффициента нестабильности источника питания КП лежит в пределах КП = (20 - 200) мкВ/В. Выберем КП = 100 мкВ/В. Питание ОУ будет осуществляться от стабилизатора напряжения на основе К142ЕН6. Его выходное напряжение равно Uвых = ±(15±0,3) В, соответственно UИП будет равным ±(15±0,3) В, то есть ДUИП = ±0,3 В.

По переходной характеристике ОУ (Рис. 1) найдем UВЫХ:

Выберем UВЫХ = 10 В. Тогда

Подставив все известные нам параметры, рассчитаем ТК UСМ :

По полученным значениям К и ТК UСМ выбираем тип используемого операционного усилителя (так, чтобы ТК UСМ не превышал, а К был не меньше значения, полученного при расчете). Выбираем прецизионный усилитель типа КР140УД25Г. Ниже приводятся его параметры и схема включения:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Параметры ОУ КР140УД25Г