ИДЗ / Сергеев 5А06

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральноегосударственноеавтономноеобразовательноеучреждениевысшегообразования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙТОМСКИЙПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ»

Школа: ИШЭ Направление: 13.03.02. Электроэнергетика и электротехника

Расчёт параметров инвертирующего и неинвертирующего усилителей

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ № 1

Вариант 23

по дисциплине:

ЭЛЕКТРОНИКА 2.1

Томск - 2023

Цель: рассчитать параметры инвентирующего и неинвертирующего усилителей.

Исходные данные: = 23,4; н = 43 кОм.

Задание №1

Рассчитать параметры инвертирующего усилителя (рис. 1) выполненного на операционном усилителе, который обеспечивает коэффициент усиления по напряжению ku при сопротивлении нагрузки Rн.

Рис. 1.1 Схема инвертирующего усилителя

Решение:

Промышленность выпускает различные типы операционных усилителей, каждый из которых разрабатывается под конкретные изделия. Наиболее простыми являются ОУ марки К140УД6, К140УД7, К1410УД20. Для выполнения инвертирующего усилителя выбираем ОУ марки К140УД6, который имеет следующие основные параметры:

Условные обозначения параметров операционного усилителя: Uип1– напряжение источника питания положительной полярности; Uип2– напряжение источника питания отрицательной полярности; Iвых.доп – максимальный допустимый ток операционного усилителя; Iвх – входной ток операционного усилителя;

Iвх – разность входных токов; Uсм – напряжение смещения; Rвх – входное сопротивление;

U+вых.м – максимальное выходное напряжение положительного уровня; U-вых.м – максимальное выходное напряжение отрицательного уровня; Kу.U – коэффициент усиления напряжения;

f1 – частота единичного усиления;

VUвых – скорость изменения выходного напряжения.

Значение сопротивления резистора R2 при заданной нагрузке Rн определяем из условия ограничения выходного тока Iвых операционного усилителя на допустимом уровне:

увеличиваем R2 в 10 раз.

Сопротивление резистора 2R выбираем из ряда номинальных значений Е24: 1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2; 2,2; 2,4; 2,7; 3; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1.

Принимаем R2= 51 кОм.

Определим мощность резистора R2. Для этого найдем максимальный

Тогда мощность резистора R2:

2 = 22 ∙ 2 = (2,157 ∙ 10−4)2 ∙ 51000 = 2,373 мВт

Промышленность выпускает резисторы стандартного ряда мощностей:

0,01; 0,025; 0,05; 0,062; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 16; 25; 50; 100; 250; 500.

С учетом стандартного ряда мощностей выбираем резистор R2 типа МЛТ – 0,01 – 51 кОм ±5 %.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением:

2 вых= 1 = вх

Решаем относительно R1, получим:

2 510001 = = 23,4 = 2,179 кОм

Сопротивление резистора R1 выбираем из ряда номинальных значений Е24: R1= 2,2 кОм.

Определим мощность резистора R1. Для этого найдем

Из ряда стандартных мощностей выбираем резистор R1 типа МЛТ –

0,01 – 2,2 кОм ± 5 %.

С целью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему (рис.6) включают резистор R3. Резистор R3 выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирующему входам

значений: R3= 2,2 кОм.

Так как операционный усилитель охвачен обратной связью и по входным цепям не потребляет тока, то мощность резистора R3 мала.

Выбираем резистор R3 типа МЛТ – 0,01 – 2,2 кОм ± 5 %.

Проведем проверку коэффициента усиления инвертирующего

Погрешность не превышает 5 %, поэтому найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.

Правильность нахождения параметров инвертирующего усилителя проверим с помощью программы Electronics Workbench.

Рис. 1.2 Схема инвертирующего усилителя в программной среде

Multisim

Рис. 1.3 Лицевая панель осциллограммы цифрового осциллографа На осциллограмме красным цветом обозначен входной сигнал, синим

цветов обозначен выходной сигнал. По осциллограмме видно, что выходной сигнал усилен практически в 23 раза, что соответствует заданному коэффициенту усиления.

Вывод: в ходе выполнения работы были вычислены номиналы резисторов для инвертирующего операционного усилителя и подобраны существующие номиналы резисторов по ряду Е24, ближайшие к расчетным. Погрешность расчетов оказалась ниже 5%, что свидетельствует о правильности подобранных номиналов резисторов. По снятой осциллограмме видно, что выходной сигнал усилен практически в 23 раза, что соответствует заданному коэффициенту усиления, а также то, что инвертирующий усилитель выдает сигнал со сдвигом по фазе на 180 градусов.

Задание №2

Рассчитать параметры неинвертирующего усилителя (рис. 2), выполненного на операционном усилителе, который обеспечивает коэффициент усиления по напряжению ku при сопротивлении нагрузки Rн.

Рис. 2.1 Схема неинвертирующего усилителя Для расчетов используем операционный усилитель типа К140УД6.

Определяем сумму сопротивлений резисторов R1 и R2 при заданной нагрузке Rн из условия ограничения выходного тока Iвых операционного усилителя на допустимом уровне:

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением:

2= 1 + 1 = 24,3

Из определим отношение сопротивлений R2 и R1 и составим систему уравнений:

1 + 2 = 4902;

{2 = 24,3.1

Из системы уравнений относительно 1, получаем, что R1=209,47 Ом, R2=4692 Ом. Из стандартного ряда выбираем номинальные значения сопротивлений R1= 220 Ом, R2= 4,7 кОм.

Найдем ток, протекающий через резисторы R1 и R2:

Определим мощность резисторов R1 и R2:

1 = 1,22 ∙ 1 = 0,00222 ∙ 220 = 1,1 мВт2 = 1,22 ∙ 2 = 0,00222 ∙ 4700 = 0,023 Вт

Сучетом ряда стандартных мощностей выбираем резистор R1 типа МЛТ – 0,01 –220 Ом 5 %, а резистор R2 типа МЛТ – 0,025 – 4,7 кОм 5 %.

Сцелью уменьшения токов и напряжений сдвигов в схему (рис.2)

включают резистор R3. Сопротивление R3 выбирают из условия равенства входных сопротивлений по инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя:

Так как ОУ охвачен обратной связью и не потребляет ток по входным цепям, то ток, протекающий через R3 чрезвычайно мал. Поэтому мощность резистора принимаем равной 0,01 Вт, а резистор выбираем типа МЛТ – 0,01 – 220 Ом 5 %.

Проведем проверку коэффициента усиления инвертирующего

Погрешность не превышает 5 %, поэтому найденные значения резисторов можно считать приемлемыми.

Правильность нахождения параметров инвертирующего усилителя проверим с помощью программы Electronics Workbench (собрать схему и показать входное и выходное напряжения).

Рис. 2.2 Схема неинвертирующего усилителя в программной среде

Multisim

Рис. 2.3 Лицевая панель осциллограммы цифрового осциллорафа Вывод: в ходе выполнения работы были вычислены номиналы

резисторов для операционного неинвертирующего усилителя и подобраны существующие номиналы резисторов по ряду Е24, ближайшие к расчетным. Погрешность расчетов оказалась ниже 5%, что свидетельствует о правильности подобранных номиналов резисторов. По снятой осциллограмме

видно, что выходной сигнал усилен практически в 23 раза, что соответствует заданному коэффициенту усиления, а также то, что инвертирующий усилитель выдает сигнал без сдвига по фазе.