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. Варианты заданий приведены в табл. №.

Рис.1. Схема инвертирующего усилителя

Пример решения задания №1.

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 [3]:

= +15±1,5 В;		≥ 1 МОм;
= –15±1,5 В;		= +11 В;
≤ 2,5 мА;		= –11 В;
≤ 200 нА;		≥ 30000;
≤ 25 нА;		= 1 МГц;
Uсм = ±10 В;		= 2 В/мкс.

Условные обозначения параметров операционного усилителя:

– 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;

– 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:

(1)

Решим уравнение (1) относительно сопротивления :

. (2)

Подставив в (2) численные значения параметров, получим

Ом

Для ограничения выходного тока операционного усилителя увеличиваем в 10 раз.

Сопротивление резистора 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 .

Определим мощность резистора . Для этого найдем максимальный ток, протекающий по резистору :

(3)

Подставив численные значения параметров в (3), имеем

мА

Тогда мощность резистора

(4)

или после подстановки численных значений параметров

Вт

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 типа МЛТ – 0,25 – 51кОм±5%.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется в соответствии с выражением

. (5)

Решая (5) относительно , получим

После подставки численных значения параметров:

Ом

Сопротивление резистора выбираем из ряда номинальных значений Е24: .

Определим мощность резистора . Для этого из (5) найдем максимальное входное напряжение:

.

Тогда

В

и

.

С учетом численных значений параметров

Вт

Из ряда стандартных мощностей выбираем резистор типа МЛТ – 0,01 – 1,6кОм ± 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

. (6)

Подставив найденные значения сопротивлений и в (6), получим

Ом

Сопротивление 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 типа МЛТ – 0,01 – 1,5 кОм ± 5%.

В соответствии с выражением (5) проведем проверку коэффициента усиления инвертирующего усилителя

.

Погрешность вычислений находим по выражению

. (7)

С учетом найденного значения определяем величину D

.

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

Правильность нахождения параметров инвертирующего усилителя проверим с помощью программы Electronics Workbench. Схема усилителя и диаграммы напряжений представлены соответственно на рис.2 и 3.

Рис.2. Модель инвертирующего усилителя в

программной среде Electronics Workbench

VA1

VB1

VA2

VB2

Рис.3. Диаграммы входного и выходного напряжений

Из диаграмм напряжений следует, что при входном напряжении инвертирующего усилителя равном , выходное напряжение равно

Анализ полученных диаграмм (рис.3) показывает, что отношение напряжений VB1 и VA1 или VB2 и VA2 (где , а ) составляет 33,99. (Привести расчет). Следовательно, параметры инвертирующего усилителя с заданным коэффициентом усиления найдены верно.