Курсовой - Инвертирующий сумматор двух входных напряжений на базе ОУ и транзисторного каскада / курсовой в Рамка

ВВЕДЕНИЕ

Сумматоры представляют собой функциональные узлы, выполняющие

операцию сложения чисел. В устройствах дискретной техники суммирование

осуществляется в двоичном или, реже, в двоично-десятичном коде. По

характеру действия сумматоры подразделяются на две категории:

- комбинационные, как и все ранее рассмотренные узлы, не имеющие элементов памяти;

- накопительные, сохраняющие результаты вычислений.

В свою очередь, каждый из сумматоров, оперирующий с многоразрядными

слагаемыми, в зависимости от способа обработки чисел может быть отнесен к последовательному или параллельному типу.

Сумматоры, выполненные в виде самостоятельных микросхем.

Как последовательные, так и параллельные сумматоры строятся на основе

одноразрядных суммирующих схем. Сложение чисел в последовательных

сумматорах осуществляется поразрядно, последовательно во времени. В

сумматорах параллельного типа сложение всех разрядов много

разрядных чисел происходит одновременно.

1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

Разработаем электрическую структурную схему исходя из условий задачи.

1

Рис. 1 Схема электрическая структурная

Времязадающая цепь – обеспечивает необходимую подачу входных напряжений определенной формы.

Инвертирующий сумматор – формирует алгебраическую сумму двух напряжений и меняет знак на обратный.

Компенсирующий резистор – служит для снижения смещения нуля инвертирующего сумматора, имеющего существенные входные токи.

Усилительный каскад – усиливает по току импульс сгенерированный на ОУ.

2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА

На основе структурной схемы разработаем электрическую функциональную схему.

2

Рис. 2 Схема электрическая функциональная.

Функциональная схема разъясняет физические процессы, протекающие в отдельных функциональных частях изделия или в изделии в целом. Функциональные схемы выполняют до разработки принципиальных схем и служат основанием для их разработки.

К базовому аналогичному вычислительному устройству относится сумматор. Он используется в различных измерительных преобразователях и корректирующих звеньях, а также при моделировании систем управления. Как правило, это устройство выполняется на базе ОУ по схеме инвертирующего усилителя, обеспечивающего максимальную точность.

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА

Н

3

а основе электрической функциональной схемы разработаем схему электрическую принципиальную. Схема электрическая принципиальная представлена в приложение 1. Приложением к принципиальной схеме является перечень элементов, в котором перечислены все элементы участвующие в работе и отображенные в схеме. Также указаны их номинальные значения. Перечень элементов представлен в приложении 2.

Инвертирующий сумматор может суммировать несколько входных напряжений. Каждое входное сопротивление соединяется с инвертирующим входом ОУ через отдельный резистор. В этом случае инвертирующий вход принято называть суммирующей точкой, поскольку здесь суммируется все входные токи и ток обратной связи. Здесь резисторы R_.1, R_.2 служат совместно с R_ос для об­разования ООС. Кроме того, резисторы R₁ служат для взаимной развязки друг от друга источников сигналов. При R₁=R₂, К_ОС=1. Для каждого источника входное сопротивление сумматора R_ВХ.СУМ  R₁; выходное сопротивление R_{ВЫХ.СУМ ≈} R_ВЫХ /2. Если R_вх ОУ достаточно велико и ток смещения пренебрежительно мал по сравнению с током обратной связи (ОС), то по закону Кирхгофа :

I₁+ I₂= I_ос

Если коэффициент усиления без ОС также достаточно велик, так что U_д= 0, то

; ; ; R₁= R₂= R_ос= R,

тогда

, U₁+ U₂= - U_вых или U_вых= -( U₁+ U₂)

I1 = I2 = 5/8000 = 0,625 мА,

Uвых = - (5 + 5 ) = - 10 В,

Iос = - 10 /8000 = - 1,25 мА,

Суммирующие схемы могут работать как при постоянных, так и при переменных напряжениях.

Для снижения смещения нуля инвертирующего сумматора, имеющего существенные входные токи, следует между неинвертирующим входом и общей точкой схемы включить компенсирующий резистор R_к. Сопротивление этого резистора определяется соотношением:

R

4

_к = R₁R₂ /(R₁ + R₂)

R_к = 8000 ∙ 8000/(8000 + 8000) = 4000 Ом = 4 кОм

4. ОПРЕДЕЛИМ ТИП ТРАНЗИСТОРА ДЛЯ ТРАНЗИСТОРНОГО КАСКАДА

Выбор транзистора проводиться по следующим параметрам:

Iэ = Uвых

Rн

Iэ = Uвых = 10 1 = 0,03А = 33 мА

Rн 300

U кэ max = Eк = 2 Uвых + 30 % = 26 В

Рк = 0,03 ∙ 26 = 0,78 Вт

По этим параметрам выбран транзистор КТ602В со следующими параметрами (см. табл. 1.):

Таблица 1

Параметр	Обозначение	Значение
Максимально допустимый постоянный ток коллектора	Ik max, мА	75
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер	Uкэ, В	40
Допустимая рассеиваемая мощность коллектора	Рк max , Вт	0,85
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером	h21, Ом	50…120

5

5. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Операционные усилители (ОУ) – исторически сложившееся название, связанное с использованием этих усилителей для моделирования операций. Они относятся к классу усилителей постоянного тока (УПТ) прямого усиления. Характерными особенностями ОУ являются: большой коэффициент усиления, большое входное и малое выходное сопротивления, широкая полоса пропускания, дифференциальный вход. Перечисленные свойства, а также интегральная технология изготовления сделали ОУ одним из основных компонентов современных аналоговых электронных схем. ОУ также нашли широкое применение и в импульсной технике в качестве компараторов, релаксационных генераторов. Основой ОУ является дифференциальный каскад типа балансного УПТ, рассмотренный выше.

Система параметров, характеризующих операционный усилитель, помимо приведенных выше общих для усилителей любого типа включает в себя ряд специфических показателей, к ним относятся:

• Uсм-напряжение смещения (1-10мВ) – приведенное ко входу напряжение, необходимое для смещения амплитудной характеристики в начало координат, т.е.приведения к нулю выходного напряжения ОУ при отсутствии входных сигналов в нормальных климатических условиях, напряжение смещения подаётся на один из входов ОУ или на специальный вход при настройке схемы ,

• m= Δ Uсм/⁰С – температурный коэффициент напряжения смещения (10-50 мкВ/⁰С),

• Iвх = (Iвх1+Iвх2)/2 – входной ток ОУ, определяемый как полусумма входных токов каждого входа (10-200 нА),

• Δ Iвх= (Iвх1-Iвх2) –ток сдвига (1-100нА),

• n= Δ Δ Iвх/⁰С – температурный коэффициент тока сдвига (0,1-10 нА/⁰С),

6

• Ксф =Uвых.сф./Uвх.сф. –коэффициент передачи синфазного сигнала (1-10),

• Ксф.ос.=20lgК/Ксф (50-80 дб) –коэффициент ослабления синфазного сигнала, здесь К – собственный коэффициент усиления ОУ,

• V(10-50 В/мкс) – скорость нарастания напряжения на выходе ОУ при подаче на его вход прямоугольного импульса напряжения,

В настоящее время используют несколько десятков различных функциональных узлов, выполненных на базе ОУ.

5.1. ОПРЕДЕЛИМ ПОГРЕШНОСТИ УСИЛИТЕЛЯ

Для усилителей постоянного тока, в частности операционных, характерны оба вида погрешностей. Рассмотрим их влияние на примере инвертирующего операционного усилителя, кроме того целесообразно применить прецизионный ОУ.

Выберем прецизионный ОУ типа 140УД5Б имеющий следующие параметры:  Квнеш = 2,0-11 В/мВ; U см = 8 мВ; Iвх. = 1000 нА; ΔIвх. = 200 нА;

Аддитивная погрешность инвертирующей схемы усиления на базе ОУ возникает благодаря действию на входе напряжения смещения и входных токов, схема поясняющая действие этих факторов, приведена на рис.4.

7

Рис. 4 Источники аддитивной погрешности. Iвх-,Iвх+ -эквивалентные генераторы входных токов инвертирующего неинвертирующего входов,

Uсм. – источник напряжения смещения, R3 – компенсирующий резистор. Основная составляющая аддитивной погрешности может быть представлена следующим образом:

ΔUвых = 1∙ ( 0,008+1000∙10^-9 ∙ 4000 - 1000∙10^-9 ∙4000 + 200∙10^-3

∙4000) = 0,016В

В приведенной формуле зеркальное чередование знаков у второго и третьего членов объясняется свойством соответствующих входов ОУ по разному ( с разным знаком или фазой) передавать входной сигнал на выход о чем говорилось выше. Анализ приведенной формулы позволяет сделать ряд рекомендаций по уменьшению основной аддитивной погрешности, а именно:

1. обеспечить равенство R3 = R1*R2/(R1+R2) ,исключив тем самым влияние входных токов,

2. минимизировать величины R1,R2 с целью уменьшения влияния тока сдвига,

3. схемотехнически предусмотреть возможность балансировки операционного усилителя, исключив тем самым влияние Uсм и тока сдвига.

8

Дополнительная аддитивная погрешность возникает из-за термонестабильности таких параметров как напряжение смещения и ток сдвига:

∆U′вых=Квнеш.[m*∆t^о±n*∆t^о*R1*R2/(R1+R2)] ,

где Δ t^{о –} заданный температурный диапазон 20 – 30 ⁰

∆U′вых= 1 ∙ [5∙10^-6 ∙ 20 + 10∙10^-9 ∙ 20∙8000∙8000/(8000+8000)] = Посчитать !!!!!

9