Раздел 2. Расчет схемы на операционном усилителе

2.1 Исходные данные

Коэффициент усиления по напряжению для первого источника – К_u1 = 12

Динамический диапазон – D = 26 дБ

Максимальная рабочая температура – T_м = 30 С

Сопротивление эквивалентного генератора RG1 = 40 kОм

2. Схема инвертирующего усилителя постоянного тока

Рисунок 2.1 – Схема инвертирующего усилителя постоянного тока

2.3 Назначение элементов схемы

DA1 – операционный усилитель, является элементом, обеспечивающим усиление сигнала;

R₁ – задает входное сопротивление усилителя и коэффициент усиления по напряжению;

R2 – предназначен для компенсации ошибки ОУ, возникающей в результате протекания входного тока смещения ОУ, возникающей в результате протекания входного тока смещения ОУ через резисторы, подключенные к инвертирующему входу;

R₃ – элемент цепи обратной отрицательной связи;

R_G1 , U_G1 - эквиваленты источников входных сигналов.

2.4 Принцип действия схемы:

Инвертирующий усилитель представляет собой ОУ, охваченный цепью последовательной ООС по напряжению с помощью резистора R₃ и R₁.. Входной сигнал подается на инвертирующий вход. Напряжение обратной связи U_ос, снятое с нижнего плеча делителя R₃ – R₁ ,подается на входную цепь и вычитается из входного напряжения . И на выходе образуется выходной сигналU_ВЫХ. Введение ООС позволяет сделать коэффициент усиления высокостабильным. Стабилизация коэффициента усиления позволяет улучшить частотную характеристику схемы (расширяется полоса пропускания усилителя). Поскольку на входе усилителя действует сигнал <U_ВХ , амплитудная (передаточная) характеристика имеет большую линейную область, чем амплитудная характеристика ОУ без обратной связи, то это означает, что входные сигналы большей амплитуды будут передаваться без искажения. Кроме того, последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя до сотен кОм и снижает выходное сопротивление до долей Ом.

2.5 Расчет схемы

2.5.1 Рассчитаем сопротивление R₁, кОм

Для обеспечения отсутствия влияния сопротивления генератора R_G на коэффициент усиления, сопротивление R₁ выбирается больше R_G в 5…10 раз

Принимаем полученное значение сопротивления R₁ = 400 kОм.

2.5.2 Рассчитаем значение сопротивления резистора обратной отрицательной связи R₃.

Для неинвертирующего усилителя по коэффициенту усиления

Округляем полученное значение сопротивления до стандартного значения R₃ = 4300 Ом

2.5.3 Значение сопротивления компенсационного резистора R₂ принимаем равным значению R₁

2.5.5 Выберем операционный усилитель согласно следующих условий:

max{R₁,, R₂,, R₃,} << R_{вх ОУ},,

R_{вых ОУ} << R₃ << R_{вх ОУ} ,

U_{см доп} < U_{∑см ОУ}

Выбираем операционный усилитель К140УД14 со следующими параметрами операционного усилителя

Коэффициент усиления ;

Входное сопротивление R_вх = 30 МОм;

Разность входных токов ∆I_вх = 0,2 нА;

Тепловая разность входных токов нА/К;

Напряжение смещения U_см =2 мВ;

Температурный дрейф напряжения смещения мкВ/К;

Напряжение питания U_пит = 15 В.

Условия пригодности ОУ по входному и выходному сопротивлению выполняются. Проверим условие по напряжению смещения.

2.5.6 Рассчитаем U_{см доп.} по эквивалентному коэффициенту усиления K_{U экв}

,

и заданному динамическому диапазону D:

,

где допустимое смещение на выходе усилителя находим следующим образом:

,

Принимаем K_U2 = 0, тогда .

2.5.7 Рассчитаем суммарное, приведенное ко входу, смещение ОУ по следующей формуле

,

- от разницы входных токов

- от температурного дрейфа разницы входных токов

,

где T₀ – температура при нормальных условиях T₀ = 25 С

- от температурного дрейфа напряжения смещения

,

- от напряжения смещения

Суммарное (приведённое ко входу) смещение операционного усилителя

, следовательно операционный усилитель выбран правильно.

2.6 Найдем максимально допустимую амплитуду напряжения источника сигнала: