ИДЗ / Расчет параметров инвертирующего и неинвертирующего усилителейй

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа энергетики

Электроэнергетика и электротехника

«Расчет параметров инвертирующего и неинвертирующего усилителей»

Индивидуальное задание № 1

по дисциплине:

Электроника 2.1

Исполнитель:

студент группы 5А6А Абдуллаев Берик Серикович

Руководитель:

кандидат технических наук Чернышев Игорь Александрович

Томск - 2018

Задание №1

Рассчитать параметры инвертирующего усилителя (рис. 1), выполненного на операционном усилителе, который обеспечивает коэффициент усиления по напряжению при сопротивлении нагрузки . Для расчетов принимаем =10 и = 62 кОм.

Рис.1. Схема инвертирующего усилителя

Решение:

Промышленность выпускает различные типы операционных усилителей, каждый из которых разрабатывается под конкретные изделия. Наиболее простыми являются ОУ марки К140УД6, К140УД7, К1410УД20. Для выполнения инвертирующего усилителя выбираем ОУ марки К140УД6, который имеет следующие основные параметры:

=+151,5 В;

1 МОм;

=151,5 В;

= +11 В;

2,5 мА;

200 нА;

25 нА;

=10 В;

= 11 В;

30000;

= 1 МГц;

= 2 В/мкс;

Условные обозначения параметров операционного усилителя:

напряжение источника питания положительной полярности;

напряжение источника питания отрицательной полярности;

максимальный допустимый ток операционного усилителя;

входной ток операционного усилителя;

разность входных токов;

напряжение смещения;

входное сопротивление

максимальное выходное напряжение положительного уровня;

максимальное выходное напряжение отрицательного уровня;

коэффициент усиления напряжения;

частота единичного усиления;

скорость изменения выходного напряжения.

Значение сопротивления резистора при заданной нагрузке определяем из условия ограничения выходного тока операционного усилителя на допустимом уровне:

Решим уравнение относительно сопротивления :

Подставив в выражение численные значения параметров, получим

Для ограничения выходного тока операционного усилителя увеличиваем в 10 раз.

Сопротивления резистора выбираем из ряда номинальных значений Е24.

Принимаем кОм.

Определим мощность резистора . Для этого найдем максимальный ток, протекающий по резистору :

Подставив численные значения параметров в выражение, имеем

Тогда мощность резистора

или после подстановки численных значений параметров

С учетом стандартного ряда мощностей выбираем резистор типа МЛТ – 0,01 – 51кОм ±5 %.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением

Решая выражение относительно , получим

После подставки численных значений параметров:

Сопротивление резистора выбираем из ряда номинальных значений Е24:

Определим мощность резистора . Для этого из выражения найдем максимальное входное напряжение:

Тогда

и

С учетом численных значений параметров

Из ряда стандартных мощностей выбираем резистор типа МЛТ – 0,01 –5,1 кОм ± 5 %.

С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему включают резистор . Резистор выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя

Подставив найденные значения сопротивлений и в выражение, получим

Сопротивление резистора выбираем из ряда номинальных значений:

Так как операционный усилитель охвачен обратной связью и по входным цепям не потребляет тока, то мощность резистора мала. Выбираем резистор типа МЛТ – 0,01 – 4,7 кОм ± 5 %.

В соответствии с выражением проведем проверку коэффициента усиления инвертирующего усилителя

Погрешность вычислений находим по выражению

С учетом найденного значения определяем величину

Погрешность не превышает 5 %, поэтому найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.

Рис.2. Модель инвертирующего усилителя в программной среде Electronics Workbench

Рис.3. Осциллограммы цифрового осциллографа

Из осциллограмм (рис. 3) следует, что при входном напряжении инвертирующего усилителя (см. окно VA1 на рис. 3), выходное напряжение равно

Тогда коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя можно определить по уравнению

Следовательно, параметры инвертирующего усилителя с заданным коэффициентом усиления найдены верно.

Задание №2

Рассчитать параметры неинвертирующего усилителя (рис. 4), выполненного на операционном усилителе, который обеспечивает коэффициент усиления по напряжению при сопротивлении нагрузки . Для расчетов принимаем и .

Рис.4. Схема неинвертирующего усилителя

Решение:

Для расчетов используем операционный усилитель типа К140УД6.

Определяем сумму сопротивлений резисторов и при заданной нагрузке из условия ограничения выходного тока операционного усилителя на допустимом уровне:

Решим выражение относительно

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением

Из выражения определим отношение сопротивлений и и составим систему уравнений

Решая систему уравнений относительно , получаем, что Ом тогда Из стандартного ряда выбираем номинальные значения сопротивлений а .

Найдем ток, протекающий через резисторы и :

Подставив численные значения параметров в выражение, получим

В соответствии с выражением определим мощность резисторов и :

С учетом ряда стандартных мощностей выбираем резистор типа МЛТ0,01510 Ом 5%, а резистор типа МЛТ0,0254300 Ом 5%.

С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему (рис.4) включают резистор . Сопротивление выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирущему входам операционного усилителя в соответствии с выражением

Согласно стандартному ряду сопротивлений принимаем

Так как ОУ охвачен обратной связью и не потребляет ток по входным цепям, то ток, протекающий через чрезвычайно мал. Поэтому мощность резистора принимаем равной 0,01 Вт, а резистор выбираем типа МЛТ0,01470 Ом5%.

Проведем проверку коэффициента усиления неинвертирующего усилителя по выражению:

По уравнению определяем погрешность вычислений

Погрешность превышает 5 %, поэтому найденные значения резисторов считаем не приемлемыми. Необходимо вручную выбрать и задать резистор из ряда Е24. Примем Проведем расчеты заново. Найдем ток, протекающий через резисторы и :

Подставив численные значения параметров в выражение, получим

В соответствии с выражением определим мощность резисторов и :

С учетом ряда стандартных мощностей выбираем резистор типа МЛТ0,01510 Ом 5%, а резистор типа МЛТ0,0254700 Ом 5%.

С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему (рис.4) включают резистор . Сопротивление выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирущему входам операционного усилителя в соответствии с выражением

Согласно стандартному ряду сопротивлений принимаем

Так как ОУ охвачен обратной связью и не потребляет ток по входным цепям, то ток, протекающий через чрезвычайно мал. Поэтому мощность резистора принимаем равной 0,01 Вт, а резистор выбираем типа МЛТ0,01470 Ом5%.

Проведем проверку коэффициента усиления неинвертирующего усилителя по выражению:

По уравнению определяем погрешность вычислений

Погрешность не превышает 5 %, поэтому найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.

Рис.5. Модель неинвертирующего усилителя в программной среде Electronics Workbench

Рис.6. Диаграммы входного и выходного напряжений неинвертирующего усилителя

Из диаграмм напряжений следует, что при входном напряжении инвертирующего усилителя равном выходное напряжение составляет .

Коэффициент усиления по напряжению неинвертирующий усилитель определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению :

Анализ полученных диаграмм (рис. 6) показывает, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя составляет 10,062. Следовательно, параметры неинвертирующего усилителя с заданным коэффициентом усиления найдены верно.

Вывод: в первом задании все расчеты были сделаны верно, так как погрешность составила 0%, также расчеты велись легко благодаря готовому файлу Mathcad в электронном курсе. Диаграммы осциллографов показали, что коэффициент усиления по напряжению в инвертирующем усилителе действительно равен 10. Во втором задании расчеты велись верно, но в конце погрешность составила более 5%, что свидетельствовало о неприемлемости значений резисторов. Следуя инструкциям, я поменял на другое значение из номинального ряда Е24, затем заново провел расчеты и убедился в правильности численных значений резисторов, но с маленькой погрешностью. Диаграммы в неинвертирующем усилителе, показали, что коэффициент усиления равен 10.