5. Выбор операционного усилителя.
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.4.
Рис.4. 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 килом до сотен мегаом. 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.
Так как планируем использовать однополярный источник питания,то в качестве ОУ используем КР140УД66.Преимуществом этого ОУ является так же высокое максимальное выходное напряжение, отличающееся от напряжения питания на 1,5 В.(схема rail-to-rail).
Параметры ОУ: Uип(+3 … +30)В,
Iвых m = 2мА, υUвых = 50 В/мкс, Rвх =0,2 МОм, Кос.сф = 70 дБ.
6.РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.
Так как измеряемое сопротивление по условию должно лежать в диапазоне от 10 до 100 кОм,а выходное напряжение от 5 до 10 В,то
Решив эту систему получим R5=20 кОм,а Uоп=3,3 В.
6.РАСЧЁТ ИСТОЧНИКА ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ.
Рис.5. ИОН.
Простейший источник опорного напряжения(рис.5) представляет собой делитель напряжения, состоящий из резистора R1 и стабилитрона VD1.
Стабилитрон- полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания напряжения источника питания на заданном уровне. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих элементов (примесей). Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробойвследствие слишком большой силы тока).Вольт-амперная характеристика приведена на рисунке 6.
Рисунок 6.ВАХ стабилитрона.
Для данной схемы был выбран прецизионный стабилитрон Д818А.
Параметры стабилитрона:Uст.ном.=9 В,Iст.ном.=10 мА,Iст.мин=3 мА, Iст.макс=33 мА.
Расчитаем балластное сопроьтвление R2.
-нет в ряду Е24→R1=620 Ом.
7.РАСЧЁТ КАСКАДА СОПРОТИВЛЕНИЙ.
Так как IR2,R3,<<Iстаб. ≈0,1мА,то следовательно
Из-за равенства токов можно составить уравнение:
Получаем систему уравнений:
R2=1,7R3
R2+R3=90 кОм
После решения получаем R2=57 кОм нет в ряду Е24→R2=56кОм.
Так как на вход ОУ требуется подать 3,3 В,то добавим переменное сопротивление R4,при этом уменьшив сопротивление R3.
R3=22 кОМ.
Так как в ряду Е24 погрешность составляет 5%,то
53кОМ≤ R2≤59кОм
20,9кОМ≤ R3≤23,1кОм
При Uст→min=9В,а R2→max=59кОМ,то
нет в ряду Е24→R4=15кОм
8.РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ.
Для усилителей всех типов характерна мультипликативная погрешность, связанная с нестабильностью коэффициента передачи, вызванной технологическими причинами или влиянием внешней среды. Мультипликативная погрешность выходного напряжения прямо-пропорциональна величине входного напряжения, её источники и величина могут быть найдены из аналитического выражения для коэффициента передачи .
Расчёт мультипликативной погрешности.
Погрешность сопротивлений в ряду Е24=5%=0,05.
δUвых=√ δ2Uст+δ2R2+δ2R3+δ2R4+δ2R5 =
Расчёт аддитивной погрешности.