Введение.

Операционные усилители (ОУ) являются основной частью всей современной электронной измерительной аппаратуры. Легкость их применения, стабильность рабочих характеристик и способность выполнять различные преобразования сигнала делает ОУ идеальным выбором для аналоговых схем. Исторически ОУ получили свое развитие в области аналогового вычисления, где эти схемы разрабатывались для суммирования, вычитания, умножения, интегрирования, дифференцирования и т.д., с целью решения дифференциальных уравнений во многих технических задачах. Сегодня аналоговые вычислительные устройства в основном заменены цифровыми, однако высокие функциональные возможности ОУ по-прежнему находят себе применение и поэтому их используют во многих электронных схемах и приборах.

Операционный усилитель (см. рис. ниже) - это усилитель

-с дифференциальным входом,

-большим коэффициентом усиления,

-большим входным сопротивлением

-малым выходным сопротивлением

-широкий частотный диапазон, которой обеспечивают непосредственные связи (без разделительных конденсаторов)

На рисунке у операционного усилителя мы видим 5 линий проводников:

U_{1 -} неинвертирующий вход

U₂ - инвертирующий вход

+U_вых - выход

+U_пит - положительный вывод питания

- U_пит - отрицательный вывод питания

Двуполярное питание обеспечивает возможность инверсии знака напряжения на инвертирующем входе U₂, т.е. при подаче на вход U₂положительного сигнала на выходе сигнал будет отрицательным. Напряжение питания ОУ обычно +15 В/-15В, но иногда может варьирироваться от +5/-5 до +18/-18.

Идеальный ОУ чувствителен к дифференциальному (разностному) сигналу U_вх=U₁-U₂ и нечувствителен к синфазному сигналу U_син=(U₁+U₂)/2. Последнее обстоятельство позволяет использовать ОУ в схемах с длинными линиями.

Преобразователи сопротивления в напряжение.

Преобразователи сопротивления в напряжение (ПСН) предназначены для измерения выходных сигналов резистивных датчиков (терморезисторов, тензорезисторов) и позволяют практически исключить влияние сопротивлений проводов линии связи на результат преобразования.

Преобразователи сопротивления в напряжение (ПСН) находят применение при построении омметров и измерительных приборов с резистивными первичными преобразователями. При неизменном токе падение напряжения на резисторе пропорционально его сопротивлению. Таким образом, ПСН можно построить, включая преобразуемое сопротивление в цепь нагрузки стабилизатора тока. Применение ОУ позволяет реализовать такие требования, как возможность заземления преобразуемого сопротивления, исключение погрешности от сопротивления соединительных проводников, снижение выходного сопротивления ПСН и т.д.

1. Схема электрическая структурная

Разработаем электрическую структурную схему исходя из условий задачи.

Рис.1. Схема Э1

Структурная схема определяет основные крупные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи. Структурные схемы служат основанием для разработки других, в первую очередь функциональных схем; их также используют при эксплуатации для общего ознакомления с изделием.

Источник опорного напряжения- предназначен для получения внутри схемы стабилизированного напряжение, которое не должно меняться при изменениях нагрузки.

Измерительный прибор-операционный усилитель,в ООС которого подключено измеряемое сопротивление.

Усилительный каскад-эмиттерный повторитель.

2. Схема электрическая функциональная

На основе структурной схемы разработаем электрическую функциональную схему.

Рис.2. Схема Э2

Функциональная схема разъясняет физические процессы, протекающие в отдельных функциональных частях изделия или в изделии в целом. Функциональные схемы выполняют до разработки принципиальных схем и служат основанием для их разработки. Функциональные схемы также используют для изучения принципа действия изделий, при их наладке. Регулировке, контроле и ремонте.

Функциональные схемы составляют или на все изделие в целом, или, как правило, отдельно для каждой функциональной части изделия; поэтому для изделия составляют несколько функциональных схем. В процессе проектирования функциональные схемы могут уточняться и корректироваться по результатам разработки принципиальных схем.

3. Схема электрическая принципиальная

На основе электрической функциональной схемы разрабатываем схему электрическую принципиальную (см. приложение ФИРЭ.ИИТ.609306.Э3).

Принципиальная схема определяет полный состав электрических элементов изделия и связей между ними и, как правило, дает детальное представление о принципах работы изделия. На принципиальной схеме изображают все электрические элементы, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все электрических процессов, все электрические связи между ними и электрические элементы, которыми заканчиваются входные и выходные цепи.

Принципиальная схема служит основанием для разработки других конструкторских документов, в первую очередь схем соединений и электромонтажных чертежей. Ею также пользуются при изучении принципов работы изделия, при его изготовлении, наладке, контроле и ремонте.

Приложением к принципиальной схеме является перечень элементов, в котором перечислены все элементы участвующие в работе и отображенные в схеме. Также указаны их номинальные значения.

4. Расчёт выходного транзисторного каскада.

Выходной усилительный каскад будет представлять собой эмиттерный повторитель,соединённый по схеме с общим эмиттером(схема Дарлингтона).

Рис.3. Эмиттерный повторитель.

По условию U_вых лежит в диапазоне от 5 до 10 В.R_н=100 Ом.Входное напряжение U_вх=15 В.

Тогда , а максимальная мощность рассеиваемая транзистором VT2 достигается при Зная эти параметры можно выбрать транзистор VT2.

Для данной схемы выбираем кремниевый биполярный транзистор n-p-n типа КТ815А.Параметры транзистора представлены в таблице 1.

Таблица 1

Параметр	Обозначение	Значение
Максимально допустимый постоянный ток коллектора	Ik max, мА	1500(3000)
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер	Uкэ, В	30
Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора	Рк max , Вт	1(10)
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером	h21э	40…275
Постоянный обратный ток коллектора	Iкбо, мкА	0…50
Граничащая частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером	fгр, МГц	3

Так как I_вых ОУ меньше I_б VT2 и равен 2,5 мА используем схему Дарлингтона добавив дополнительный транзистор VT1.Для этого выберем биполярный транзистор n-p-n типа КТ315В. Параметры транзистора представлены в таблице 2.

Таблица 2

Параметр	Обозначение	Значение
Максимально допустимый постоянный ток коллектора	Ik max, мА	100
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер	Uкэ, В	40
Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора	Рк max , Вт	0,15
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером	h21э	30…120
Постоянный обратный ток коллектора	Iкбо, мкА	0…0,5
Граничащая частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером	fгр, МГц	≥250