4. Проектирование усилителя электрического напряжения

Чтобы усилитель обеспечивал характеристики, требуемые техническим заданием, его необходимо разделить на три составные части: входную часть, которая будет обеспечивать требуемые входные характеристики, промежуточную часть, обеспечивающую необходимый коэффициент усиления с допустимой погрешностью, и выходную часть, которая будет задавать требуемые выходные характеристики (допустимое значение выходного напряжения, выходное сопротивление). С целью обеспечения необходимого коэффициента усиления на промежуточной части, установим на входе промежуточной части активный фильтр низких частот (ФНЧ) I порядка, а на выходе – активный фильтр высоких частот (ФВЧ) I порядка.

Структурная схема измерительного усилителя приведена на рис.3.

Рис.3. Структурная схема измерительного усилителя

5.1. Проектирование входной части

Используем схему ОУ с инвертирующим входом. В схемах данного типа удается получить несколько лучшие результаты с точки зрения точности получения определенного значения коэффициента преобразования, его стабильности, а также обеспечения устойчивости. В схеме применен операционный усилитель КР140УД26 (рис.4). Характеристики ОУ КР140УД26 указаны в Приложении Б.

Рис.4. Входная часть измерительного усилителя

Коэффициент усиления по напряжению входной части определим по ЛАЧХ ОУ КР140УД26 (см. Приложение Б)

,

а также определим коэффициенты усиления по напряжению на верхней и нижней частотах.

Найдем сопротивления резисторов R7 и R8. Их можно найти с помощью уравнения

, (5)

где R – изменение входного сопротивления в полосе частот  .

Значение зависит от типа ОУ и уровня его выходного сигнала. Ориентировочное его значение для ОУ с малой мощностью выхода (200400) Ом – 1кОм. Примем равным 500 Ом.

R находится также с помощью другого выражения:

, (6)

где  - погрешность входного сопротивления,  = 0,05

- максимальное входное сопротивление, = 2 кОм

Подставив числовые значения, получим

Подставив числовые значения в уравнение (5), найдем сопротивление резистора R8:

По номинальному ряду сопротивлений Е192 возьмем R8=320 кОм.

Так как

, (7)

то

По номинальному ряду сопротивлений Е192 возьмем R7=320 Ом.

Резистор R9 служит для уменьшения дрейфа нуля, вызванного колебаниями входных токов. Oн введен для того, чтобы уменьшить дифференциальный постоянный сигнал, появляющийся на входе микросхемы при температурных изменениях входных токов. Найдем сопротивление резистора R9.

(8)

По номинальному ряду сопротивлений Е192 возьмем R9=320 Ом.

Для балансировки микросхемы используется потенциометр номиналом R10 = 10 кОм ± 20%. Температурный коэффициент напряжения смещения не изменяется.

Глубина обратной связи усилителя

(9)

Для того, чтобы найти входное и выходное сопротивления входной части, а также коэффициент усиления усилителя на нижней и верхней частоте, применим эквивалентную схему операционного усилителя (рис.5).

Рис.5. Эквивалентная схема операционного усилителя

Тогда

(10)

(11)

(12)

При =15000 Гц, =3162,27766

При =330 Гц, =316227,766

Коэффициент частотных искажений входной части усилителя

(13)