Электроника 2.1 / ИДЗ 1. Расчёт параметров инвертирующего и неинвертирующего усилителей
.docxМИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ»
Инженерная школа энергетики
Отделение электроэнергетики и электротехники
Индивидуальное задание №1
РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ИНВЕРТИРУЮЩЕГО И НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО УСИЛИТЕЛЕЙ
Вариант 17
Выполнил студент группы 5А8Д Нагорнов А.В.
(подпись)
________________
(дата)
Проверил к.т.н., _______________ Чернышев А.Ю.
доцент ОЭЭ ИШЭ (подпись)
_______________
(дата)
Томск-2021
Цель: рассчитать параметры инвертирующих и неинвертирующих усилителей.
Задание №1
Рассчитать параметры инвертирующего усилителя (рис. 1), выполненного на операционном усилителе, который обеспечивает коэффициент усиления по напряжению при сопротивлении нагрузки . Для расчетов принимаем 44,4 и 54 кОм.
Рисунок 1 – Схема инвертирующего усилителя
Для выполнения инвертирующего усилителя выбираем операционный усилитель марки К140УД6, который имеет следующие основные параметры:
Значение сопротивления резистора при заданной нагрузке определяем из условия ограничения выходного тока операционного усилителя на допустимом уровне:
Выразим из уравнения :
Для ограничения выходного тока операционного усилителя увеличиваем в 10 раз.
Далее сопротивление резистора выбираем из ряда номинальных значений Е24.
Более всего подходит значение .
Чтобы определить мощность резистора , для начала нужно найти максимальный ток, который протекает по нему:
Тогда мощность резистора:
Промышленность выпускает резисторы стандартного ряда мощностей, поэтому выбираем резистор с запасом: МЛТ – 0,25 – 51 кОм 5%
Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением:
Сопротивление первого резистора также выбираем из ряда номинальных значений Е24:
Определим мощность резистора, для этого найдём максимальное входное напряжение:
Из ряда стандартных мощностей выбираем резистор типа SMD 0603 – 0.063 - 1.2 кОм 5%
С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему (рис. 1) включают резистор . Резистор выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя.
Сопротивление третьего 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 SMD 0603 – 0.063 - 1.2 кОм 5%.
Проведем проверку коэффициента усиления инвертирующего усилителя:
Погрешность вычислений находим из формулы:
Погрешность не превышает 5%, поэтому найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.
Правильность нахождения параметров инвертирующего усилителя проверим с помощью программы Electronics Workbench.
Рисунок 2 – Модель инвертирующего усилителя в программной среде Electronic Workbench
С помощью осциллографа снимем показания схемы:
Рисунок 3 – Лицевая панель и осциллограммы цифрового осциллографа
Тогда коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя можно определить по уравнению:
Следовательно параметры инвертирующего усилителя с заданным коэффициентом усиления найдены верно.
Вывод: Параметры инвертирующего усилителя рассчитаны верно, но в измерениях присутствует некоторая погрешность коэффициента усиления, относительно заданного по условию, равная 4.3 %. Погрешность обусловлена субъективными причинами: например, неточностью установки рейки на лицевой панели осциллографа (рис. 3), что приводит к отклонению результата измерения от изначальных данных, или округлению сотых значений числа, что в дальнейших вычислениях так же становится погрешностью.
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 кОм.
Рисунок 4 – Схема неинвертирующего усилителя
Определяем сумму сопротивлений резисторов и при заданной нагрузке из условия ограничения выходного тока операционного усилителя на допустимом уровне:
Выразим из выражения :
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя:
Из приведённого выше выражения найдём отношение сопротивлений и и составим систему уравнений.
Решим систему уравнений относительно :
Используя стандартный ряд номинальных значений, выбираем:
Найдём ток, который протекает через эти резисторы:
Зная ток, определим мощность резисторов:
С учётом ряда стандартных мощностей выбираем ЧИП резистор типа RC0603JR-07110RL – 0.0625 – 110 Ом 5%, а – ЧИП резистор RC0603JR-074K7L – 0.0625 – 4.7 кОм 5%.
С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему (рис. 4) включают резистор . Сопротивление выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя.
Согласно стандартному ряду значений 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 RC0603JR-07110RL – 0.0625 – 110 Ом 5%
Проведем проверку коэффициента усиления неинвертирующего усилителя по выражению:
Определим погрешность вычислений:
Погрешность не превышает 5%, поэтому найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.
Правильность нахождения параметров инвертирующего усилителя проверим с помощью программы Electronics Workbench.
Рисунок 5 – Модель неинвертирующего усилителя в программной среде Electronics Workbench
Рисунок 6 - Диаграммы входного и выходного напряжений неинвертирующего усилителя
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 43.725. Следовательно, параметры неинвертирующего усилителя с заданным коэффициентом усиления найдены верно.
Вывод: параметры неинвертирующего усилителя рассчитаны верно, но присутствует некоторая погрешность. Как видно из работы, результат проверки коэффициента усиления практически полностью совпадает с экспериментальным значением, но незначительно отличается от данного в условии задачи с погрешностью в 1.5 %. Из этого можно сделать вывод о том, что значение коэффициента усиления из условия является неточным, что, по всей видимости, обусловлено округлениями в течении произведения расчётов.