![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
5. Операционный усилитель
Свое название операционный усилитель (ОУ) получил вследствие того, что он может использоваться для выполнения различных математических операций над сигналами. В настоящее время операционным называется усилитель с большим коэффициентом усиления, который охватывают цепью обратной связи, определяющей основные качественные показатели и характер выполняемых усилителем операций.
Условное обозначение ИМС ОУ приведено на рис.8.
Рис.8. УГО ИМС ОУ.
ИМС ОУ имеет два входных вывода: инвертирующий, обозначенный на рисунке кружком, и неинвертирующий. Сигнал на выходе ОУ инвертирован по отношению к сигналу, поданному на инвертирующий вход, и не инвертирован по отношению к сигналу, поданному на неинвертирующий вход.
5.1. Параметры операционного усилителя.
Коэффициент усиления постоянного напряжения К – отношение выходного напряжения ИМС к дифференциальному входному напряжению, т.е. к разности потенциалов между входными выводами.
Входное сопротивление для дифференциального сигнала Rвх дииф – сопротивление между входами ИМС. Значение Rвх дииф лежит в широких пределах от кОм до сотен МОм. Входное сопротивление синфазному сигналу Rвх сф – сопротивление между одним из входов и “землей” при разомкнутом втором входе. Значение Rвх сф обычно превышает 100 МОм.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала Кос.сф – отношение коэффициента усиления К дифференциального сигнала к коэффициенту усиления Ксф синфазного сигнала. Обычно значения Кос.сф = 60÷80 дБ.
Входное напряжение смещения нуля Uсм – дифференциальное напряжение, которое нужно приложить между входами ИМС, чтобы ее выходное напряжение в отсутствие входных сигналов стало равным нулю. Необходимость Uсм обусловлена в основном разными напряжениями на эмиттерно-базовых переходах входных транзисторов. Значение Uсм зависит от температуры и напряжения питания.
Выходное сопротивление Rвых определяется выходным каскадом и обычно составляет 100 – 500 Ом.
Скорость нарастания выходного напряжения υ = ΔUвых /Δt измеряется при подаче ступенчатого напряжения на вход ИМС ОУ и коротком замыкании выхода на инвертирующий вход.
Опираясь на результаты теоретической части данной работы, выберем ИОУ, удовлетворяющий основным требованиям задания и выбранной схемы реализации мультивибратора, а также произведем расчет отдельных элементов схемы обеспечивающих выполнение требуемых параметров устройства.
Выберем К574УД1 – быстродействующий операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе. Обладает высоким входным сопротивлением, большой частотой единичного усиления и высокой скоростью нарастания выходного напряжения.
Допустимые значения параметров:
E=15
B
Uвых
мах=10,
В
Uсф
м=10,
В
Кu=50000
Rвх=10 МОм
Rвых=1 кОм
Vu вых=90 в/мкс
1) Согласно теоретической части работы:
,
следовательно
,
также
2) Подберем параметры резисторов R3 и R4.
Реальные
значения
и
оказывают влияние на длительность и
форму генерируемых импульсов. Однако
это влияние незначительно, если
сопротивления резисторовR3
и R4
удовлетворяют неравенствам:
|
|
|
|
|
|
Следовательно,
R3
и R4
должны лежать в пределах от 1 кОм до
10000 кОм, а также должно выполняться
.
Возьмем
кОм
и
кОм
условие
выполнено.
3) Подберем параметры для времязадающей цепи:
Чем
меньше
,
тем быстрее происходит перезаряд
конденсатора и тем выше частота выходного
сигнала.
Однако
следует иметь в виду, что при малых
значениях постоянной времени может
наблюдаться явление возбуждения
паразитных колебаний. Для обеспечения
устойчивости генерации коротких
импульсов целесообразно использовать
наиболее рациональный путь – уменьшение
коэффициента связи по неинвертирующему
входу
при
значениях времязадающей цепи, превышающих
критическую величину. При этом стабильная
работа мультивибратора наблюдается
при значениях
.
с
Необходимо
подобрать параметры
,
и
таким образом, чтобы выполнить равенство.
с.
Выберем
Ом
,
Ом
,
Ф учитывая, что на разряд конденсатора
времени должно уйти больше чем на заряд.
с.
мс.
4)
Длительность фронтов выходных импульсов
в рассматриваемом мультивибраторе
зависят от предельной скорости
вых
нарастания выходного напряжения
используемой микросхемы операционного
усилителя:
,
у нас по условию задания
мкс.
условие
выполнено.
Длительность
фронта выходного импульса
.
Чем меньше отношение
тем форма импульса ближе к прямоугольной.
5.2. Диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется 0 или иное свойство выпрямляющего перехода.
Uобр VD1,2 = Eнас =8,25 В < Uобр доп (из справочника)
Uобр VD3 = Енас = 8,25 В < Uобр доп (из справочника)
Iпр VD1 = Eнас/3R2 = 8,25/(3*3) = 0,92 мА < Iпр доп
Iпр VD2 = Eнас/3R1 = 8,25/(3*3) = 0,92 мА < Iпр доп
Iпр VD3 = Eнас/Rвх.эп = 0,343 мА < Iпр VD доп (из справочника)
Rвх.эп=R5||Rвх.тр.ос.
Rвх.тр.ос.=h11+(h21+1)Rн
Возьмем диод Д2Д имеющий следующие параметры:
Таблица 2.
Параметры |
Обозначение |
Значение |
Прямой ток |
Iпр , А |
0,016 |
Постоянный обратный ток |
Iобр, А мкА |
250 |
Постоянное обратное напряжение |
Uобр, В |
50 |
Постоянное прямое напряжение |
Uпр, В |
1 |
Рабочая температура |
Т, ºС |
-60 … +70 |
Емкость собственная |
Cд, пФ |
0,2 |
Отобразим работу мультивибратора на графике (рис. 9.):
ОУ
Рис. 9
6. ПОГРЕШНОСТЬ ВЫХОДНОГО ИМПУЛЬСА.
Рассчитаем основную и дополнительную погрешность длительности выходного импульса.
Основная погрешность – это погрешность R и C элементов, находящихся в нормальных условиях эксплуатации. Она возникает из-за не идеальности собственных свойств элементов. Нормальные условия это - условия при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей.
Т = tи =1,1R2C1
Основная погрешность:
δ
T
= 1,1√ δ2R1
+ δ2C1,
где
δR1 = 0,1 – класс точности резистора
δC1 = 0,2 – класс точности конденсатора
δ T = 1,1∙0,224 = 0,2464
Для конденсатора нормируют дополнительную погрешность на отклонение температуры окружающего воздуха от нормальной.
δ
T
= 1,1√(ТКС∙Δtº)2
+ (ТКЕ∙Δtº)2,
где
ТКС = 10-3 – температурный коэффициент
ТКЕ = 10-4 – температурный коэффициент
Δtº =300С- рабочий диапазон элемента R и C
δ
T
= 1,1√(10-3∙30)2
+ (10-4∙30)2
= 1,1∙0,18 = 0,14∙10-3
= 0,199
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовой работе был разработан релаксационный генератор на ИОУ с большой скважностью генерируемых импульсов в режиме автоколебания. В процессе ее выполнения получены навыки выбора схемы и ее элементов в зависимости от необходимого результата.
Приобретены знания об основных свойствах интегральных операционных усилителей, используемых при построении импульсных генераторов различного назначения, в частности с использованием в данной курсовой работе ИОУ К574УД1.