ИДЗ1 Электроника Гайдук 5А03

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 задание 1

по дисциплине:

Электроника 1.1

Выполнил: :
студент гр. 5А03			Гайдук К.А.		17.02.2023
Проверил:
доцент ОЭЭ ИШЭ			Чернышев И.А.

Томск – 2023

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 и кОм.

Рис. 1 Схема инвертирующего усилителя

Для выполнения инвертирующего усилителя выбираем операционный усилитель марки К140УД6, который имеет основные параметры, приведенные в таблице 1.

Таблица 1

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:

Продолжение таблицы 1

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:

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 МЛТ – 0,01 – 1 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 МЛТ – 0,01 –1 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 NI Multisim.

Модель инвертирующего усилителя в программной среде NI Multisim приведена н рисунке 2.

Рис. 2 Модель инвертирующего усилителя в программной среде NI Multisim

С помощью осциллографа снимем показания схемы рисунок 3:

Рис. 3 Осциллограммы входного и выходного напряжения с метками экспериментальных данных

Тогда коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя можно определить по уравнению:

Погрешность вычислений находим из формулы:

Следовательно параметры инвертирующего усилителя с заданным коэффициентом усиления найдены верно.

Вывод: в ходе работы были рассчитаны параметры инвертирующего усилителя: сопротивление резистора для ограничения выходного тока операционного усилителя , с целью уменьшения токов и напряжений сдвигов выбираем резистор , входное сопротивление данного усилителя определяется резистором . Параметры инвертирующего усилителя рассчитаны верно, в измерениях не присутствует погрешность коэффициента усиления, относительно заданного по условию.

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.

Рис. 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 МЛТ – 0,125 – 100 Ом 5%, а – ЧИП резистор МЛТ – 0,125 – 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 МЛТ – 0,125 – 100 Ом 5%.

Проведем проверку коэффициента усиления неинвертирующего усилителя по выражению:

Определим погрешность вычислений:

Правильность нахождения параметров инвертирующего усилителя проверим с помощью программы NI Multisim.

Модель неинвертирующего усилителя в программной среде NI Multisim приведена н рисунке 5.

Рис. 5 Модель неинвертирующего усилителя в программной среде NI Multisim

С помощью осциллографа снимем показания схемы рисунок 6:

Рис. 6 Осциллограммы входного и выходного напряжения с метками экспериментальных данных

Тогда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя можно определить по уравнению:

Погрешность вычислений находим из формулы:

Следовательно параметры инвертирующего усилителя с заданным коэффициентом усиления найдены верно.

Анализ полученных диаграмм (рис. 6) показывает, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя составляет . 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 4,986 %.