Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»
Инженерная школа энергетики
Отделение электроэнергетики и электротехники
Направление: 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИНВЕРТИРУЮЩЕГО И НЕИНВЕРТИРУЮЩЕГО УСИЛИТЕЛЕЙ
Индивидуальное домашнее задание №1
по дисциплине:
Электроника 2.1
Выполнил: :
|
|
||||
студент гр. 5А94 |
|
|
Милёшкин А. А. |
|
22.08.2022 |
|
|
|
|
|
|
Проверил:
|
|
||||
доцент ОЭЭ ИШЭ |
|
|
Чернышев И.А. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Томск – 2022
Расчёт инвертирующего усилителя
Начальные данные:
Сопротивление нагрузки Rн = 27 кОм
Коэффициент усиления по напряжению Ku = 3.8
Рисунок 1 – Схема инвертирующего усилителя
Основные параметры усилителя:
Напряжение источника питания положительной полярности: Uпит1 = 15 В
Напряжение источника питания отрицательной полярности: Uпит2 = 15 В
Максимальный допустимый ток операционного усилителя: Iвыхдоп = 2.5*10-3 А
Входной ток операционного усилителя: Iвх = 200*10-9 А
Разность входных токов: ∆Iвх = 25*10-9 А
Напряжение смещения: Uсм = -10…10 В
Входное сопротивление: Rвх = 10*106 Ом
Максимальное выходное напряжение положительного уровня: Uвыхм1 = 11 В
Максимальное выходное напряжение отрицательного уровня: Uвыхм2 = -11 В
Коэффициент усиления напряжения: КуU = 30000
Частота единичного усиления: f1 = 1*106 Гц
Скорость изменения выходного напряжения: VUвых = 2 В/мкс
Расчёт параметров усилителя:
1. Значение сопротивления резистора R2 при заданной нагрузке Rн определяем из условия ограничения выходного тока Iвых операционного усилителя на допустимом уровне:
Для
ограничения выходного тока операционного
усилителя увеличиваем R2 в 10 раз: R2
=
* 10 = 56
кОм
2. Определим мощность резистора R2. Для этого найдем максимальный ток, протекающий по резистору R2:
3. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением:
Решаем относительно R1:
Сопротивление резистора R1 выбираем из ряда номинальных значений.
Определим мощность резистора R1. Для этого найдем максимальное входное напряжение:
Тогда мощность равна:
Выбираем стандартную мощность выпускаемых резисторов:
4. С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему включают резистор R3. Резистор R3 выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя:
Сопротивление резистора выбираем из ряда номинальных значений.
Так как операционный усилитель охвачен обратной связью и по входным цепям не потребляет тока, то мощность резистора R3 мала. Выбираем мощность равной:
Вычисляем погрешность расчёта:
Проводим проверку коэффициента усиления инвертирующего усилителя:
Погрешность вычислений находим по выражению:
Погрешность не превышает 5 %, найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.
Итоговые результаты:
|
15000 Ом |
|
56000 Ом |
|
12000 Ом |
|
0.01 Вт |
|
0.01 Вт |
|
0.01 Вт |
Рисунок 2 – Смоделированная схема инвертирующего усилителя
Рисунок 3 – Осциллограммы напряжений Uвх , Uвых
Расчёт неинвертирующего усилителя
Начальные данные:
Сопротивление нагрузки Rн = 27 кОм
Коэффициент усиления по напряжению Ku = 3.8
Рисунок 4 – Схема неинвертирующего усилителя
Основные параметры усилителя:
Напряжение источника питания положительной полярности: Uпит1 = 15 В
Напряжение источника питания отрицательной полярности: Uпит2 = 15 В
Максимальный допустимый ток операционного усилителя: Iвыхдоп = 2.5*10-3 А
Входной ток операционного усилителя: Iвх = 200*10-9 А
Разность входных токов: ∆Iвх = 25*10-9 А
Напряжение смещения: Uсм = -10…10 В
Входное сопротивление: Rвх = 10*106 Ом
Максимальное выходное напряжение положительного уровня: Uвыхм1 = 11 В
Максимальное выходное напряжение отрицательного уровня: Uвыхм2 = -11 В
Коэффициент усиления напряжения: КуU = 30000
Частота единичного усиления: f1 = 1*106 Гц
Скорость изменения выходного напряжения: VUвых = 2 В/мкс
Расчёт параметров усилителя:
1. Значение сопротивления резистора R2 при заданной нагрузке Rн определяем из условия ограничения выходного тока Iвых операционного усилителя на допустимом уровне:
Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением
Из (1) определяем отношение сопротивлений
Решим систему уравнений с помощью программы Mathcad.
Сопротивление резисторов R1 и R2 выбираем из ряда номинальных значений.
2. Найдём ток, протекающий по резистору R1 и R2:
Определим мощность резистора :
Определим мощность резистора :
Выбираем стандартную мощность выпускаемых резисторов:
С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему включают резистор R3. Резистор R3 выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя:
Сопротивление резистора R3 выбираем из ряда номинальных значений.
Так как операционный усилитель охвачен обратной связью и по входным цепям не потребляет тока, то мощность резистора R3 мала. Выбираем мощность равной:
Вычисляем погрешность расчёта:
Проведём проверку коэффициента усиления инвертирующего усилителя:
Погрешность вычислений находим по выражению:
Погрешность превышает 5 %, значит увеличим R2:
Пересчитаем всё с учётом нового сопротивления:
Найдём ток, протекающий по резистору R1 и R2:
Определим мощность резистора :
Определим мощность резистора :
Выбираем стандартную мощность выпускаемых резисторов:
С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему включают резистор R3. Резистор R3 выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя:
Сопротивление резистора R3 выбираем из ряда номинальных значений.
Так как операционный усилитель охвачен обратной связью и по входным цепям не потребляет тока, то мощность резистора R3 мала. Выбираем мощность равной:
Вычисляем погрешность расчёта:
Проведём проверку коэффициента усиления инвертирующего усилителя:
Погрешность вычислений находим по выражению:
Погрешность не превышает 5 %, найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.
Итоговые результаты:
|
1500 Ом |
|
4200 Ом |
|
1200 Ом |
|
0.01 Вт |
|
0.025 Вт |
|
0.01 Вт |
Рисунок 5 – Смоделированная схема неинвертирующего усилителя
Рисунок 6 – Осциллограммы напряжений Uвх , Uвых
Вывод: В ходе выполнения задания рассчитаны параметры инвертирующего и неинвертирующего усилителей, сняты их выходные характеристики. Погрешности на превышают 5%, следовательно, резисторы выбраны верно.
Список литературы:
1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов / Под ред. В.А. Лабунцова. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.
2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. – М. Мир. 1982. – 512 с.
3. Беглецов Н.Н. Основы аналоговой электроники. Руководство по выполнению базовых экспериментов. – Челябинск: ИПЦ Учебная техника, 2008. 173 с.