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 R_{вх дииф} – сопротивление между входами ИМС. Значение R_{вх дииф} лежит в широких пределах от кОм до сотен МОм. Входное сопротивление синфазному сигналу R_{вх сф} – сопротивление между одним из входов и “землей” при разомкнутом втором входе. Значение R_{вх сф} обычно превышает 100 МОм.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ос.сф – отношение коэффициента усиления К дифференциального сигнала к коэффициенту усиления К_сф синфазного сигнала. Обычно значения К_ос.сф = 60÷80 дБ.

Входное напряжение смещения нуля U_см – дифференциальное напряжение, которое нужно приложить между входами ИМС, чтобы ее выходное напряжение в отсутствие входных сигналов стало равным нулю. Необходимость U_см обусловлена в основном разными напряжениями на эмиттерно-базовых переходах входных транзисторов. Значение U_см зависит от температуры и напряжения питания.

Выходное сопротивление R_вых определяется выходным каскадом и обычно составляет 100 – 500 Ом.

Скорость нарастания выходного напряжения υ = ΔU_вых /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

U_{вых мах}=10, В

U_{сф м}=10, В

К_u=50000

R_вх=10 МОм

R_вых=1 кОм

V_{u вых}=90 в/мкс

1) Согласно теоретической части работы:

, следовательно

, также

2) Подберем параметры резисторов R₃ и R₄.

Реальные значения иоказывают 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 икОм

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 ,итаким 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 отношениетем 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.

U_{обр VD1,2} = E_нас =8,25 В < U_{обр доп} (из справочника)

U­_{обр VD3} = Е_нас = 8,25 В < U_{обр доп} (из справочника)

I_{пр VD1} = E_нас/3R₂ = 8,25/(3*3) = 0,92 мА < I_{пр доп}

I_{пр VD2} = E_нас/3R₁ = 8,25/(3*3) = 0,92 мА < I_{пр доп}

I_{пр VD3} = E_нас/R_вх.эп = 0,343 мА < I_{пр VD доп} (из справочника)

R_вх.эп=R5||R_{вх.тр.ос.}

R_{вх.тр.ос.}=h₁₁+(h₂₁+1)R_н

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 = t_и =1,1R₂C₁

Основная погрешность:

δ _T = 1,1√ δ²_R1 + δ²_C1, где

δ_R1 = 0,1 – класс точности резистора

δ_C1 = 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.