5.Схема включения операционного усилителя.
Схема включения операционного усилителя К574УД1 приведена на рис.1.
Выберем К1 = K2=K3=21,5.
Выбор резисторов цепи О.О.С.
Теперь необходимо выбрать тип и номиналы резисторов R1 – R6. В силу того, что проектируемое устройство – прецизионный, т.е. высокоточный усилитель, резисторы следует выбирать так же прецизионные, т.е. имеющие малые допуски dR~(0.05¸0.1)%. Наиболее подходящей будет серия С2-29В – это металлодиэлектрические изолированные резисторы предназначенные для навесного монтажа. Для данного в техническом задании температурного диапазона устройство будет иметь допуск dR = 0.05%, минимальная наработка на отказ 25*103 часов, сопротивление изоляции в нормальных климатических условиях не менее 1011 Ом, уровень собственных шумов достаточно мал и достигает 1мкВ/В.
Для прецизионного усилителя возможны две схемы включения ОУ – неинвертирующая и инвертирующая. При низком значении сопротивления источника входного сигнала во входном каскаде следует использовать инвертирующий усилитель, при высоком неинвертирующий. По техническому заданию сопротивление источника сигнала равно 10 кОм, т.е. достаточно низкое, следовательно будем использовать схему включения инвертирующего усилителя. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя при идеальном ОУ определяется по формуле:
Выбираем следующие номиналы резисторов (ряд Е192):
R1 =R3 = R5 = 10 кОм; R2 = R4 = R6= 213 кОм.
Рассчитаем напряжение ошибки на выходе первого каскада:
мВ.
Рассчитаем напряжение ошибки на выходе второго каскада:
В.
Так как напряжение ошибки относительно невысокое, то между первым и вторым каскадами не требуется разделительный конденсатор.
Рассчитаем напряжение ошибки на выходе третьего каскада:
В.
Напряжение ошибки выхода недопустимо высокое, необходим раздельный конденсатор перед третьим каскадом.
Рассчитаем напряжение ошибки на выходе третьего каскада с учётом разделительного конденсатора:
мВ.
Должно выполняться условие:
7В ≥ 0,05 + 5 =5,05В
Расчёт погрешностей коэффициента усиления.
Коэффициенты усиления, приведённые выше, соответствуют идеальному усилителю, в реальном же естественно будет сказываться влияние некоторых характеристик, считаемых ранее идеальными. Так при расчёте коэффициентов усиления возникает погрешность eк связанная с отклонением параметров ОУ от идеальных
В итоге:
ek=0.0003%
Кроме погрешностей, обусловленных неидеальностью параметров ОУ, возникает погрешность за счёт разброса значений резисторов в цепи О.О.С. Для инвертирующего усилителя данная погрешность равна:
.
Были выбраны прецизионные резисторы, по этой причине данная погрешность достаточно мала:
В процессе эксплуатации коэффициент усиления ПУ может меняться из-за влияния температуры окружающей среды. Температурная нестабильность коэффициента усиления eТК вызвана в основном изменением коэффициента усиления ОУ и номиналов резисторов R1 и R2. eТК определяется по следующей формуле
где dК – относительное изменение коэффициента усиления в заданном диапазоне температур. Исходя из условий технического задания определим eТК
Такие результаты получаются для всех каскадов. Окончательно для всех каскадов в целом имеем eТК = 0,066%
Так же следует учесть погрешность, связанную с температурным коэффициентом резисторов. Формула погрешности eТR одинакова для обеих схем включения и выглядит следующим образом
Теперь после определения всех основных погрешностей влияющих на коэффициент усиления ПУ можно рассчитать их суммарную погрешность. Она будет определяться простой суммой всех вышеперечисленных погрешностей.
e
= eк
+ eR
+ eТК
+ eТR
= 0.0003% + 0.3%
+ 0.066%
+ 0.084%
0,45%
Что удовлетворяет техническим требованиям.
Расчет конденсаторов.
Нижняя граничная частота 1000 Гц усилителя определяется конденсаторами С1, С6.
0,1
мкФ
Конденсаторы С2, С4, С7 определяет верхнюю граничную частоту усилителя.
С9, С10 – антипаразитные 68 нФ служат для уменьшения влияния источника питания на форму выходного сигнала.
Вывод. Разработанная схема – прецизионный усилитель на трёх каскадах - полностью удовлетворяет условиям технического задания.