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 R_{вх дииф} – сопротивление между входами ИМС. Значение R_{вх дииф} лежит в широких пределах от килом до сотен мегаом. 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.

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: U_ип(+3 … +30)В,

I_{вых m} = 2мА, υ_Uвых = 50 В/мкс, R_вх =0,2 МОм, К_ос.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 U_оп=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:U_ст.ном.=9 В,I_ст.ном.=10 мА,I_ст.мин=3 мА, I_{ст.макс}=33 мА.

Расчитаем балластное сопроьтвление R_2.

_-нет в ряду Е24→R₁=620 Ом.

7.РАСЧЁТ КАСКАДА СОПРОТИВЛЕНИЙ.

Так как I_R2,R3,<<I_стаб. ≈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 U_ст→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.

δU_вых=√ δ²_Uст+δ²_R2+δ²_R3+δ²_R4+δ²_R5 =

Расчёт аддитивной погрешности.