Практическое занятие № 3. Расчет электронных устройств на основе операционных усилителей

Задача 1. Расчёт инвертирующего усилителя низкой частоты на базе операционного усилителя.

На основе заданного операционного усилителя разработать схему инвентирующего усилителя низкой частоты с коэффициентом усиления К_u и минимальным входным напряжением U_{вх min}=(5 мВ – группа №1;10 мВ – группа №2;15 мВ – группа №3;20 мВ – группа №4). Исходные данные приведены в таблице 3.1. Определить максимальное входноенапряжение синусоидального сигнала U_{вх max}, при котором не будет значительных искажений выходного сигнала. Описать работу схемы, осуществить моделирование её работы при U_{вх min} <U_вх1 <U_{вх max} и U_вх2 >U_{вх max .}

Таблица 3.1 – Исходные данные к задаче 1

Номер варианта	Тип операционного усилителя	Ku
	КР140УД7 (μA741CD)
	КР140УД11 (LM318N8)
	КР140УД14 (LM308AM8)
	КР1408УД1 (LM343H)
	КР140УД18 (LF355BN)
	К140УД10 (LM118P)
	КР140УД7 (μA741CD)
	КР140УД11 (LM318N8)
	КР140УД14 (LM308AM8)
	КР1408УД1 (LM343H)
	КР140УД18 (LF355BN)
	К140УД10 (LM118P)
	КР140УД7 (μA741CD)
	КР140УД11 (LM318N8)
	КР140УД14 (LM308AM8)
	КР1408УД1 (LM343H)
	КР140УД18 (LF355BN)
	К140УД10 (LM118P)
	КР140УД7 (μA741CD)
	КР140УД11 (LM318N8)
	КР140УД14 (LM308AM8)
	КР1408УД1 (LM343H)
	КР140УД18 (LF355BN)
	К140УД10 (LM118P)
	КР140УД7 (μA741CD)

Окончание таблицы 3.1

	КР140УД11 (LM318N8)
	КР140УД14 (LM308AM8)
	КР1408УД1 (LM343H)
	КР140УД18 (LF355BN)
	К140УД10 (LM118P)
	КР140УД11 (LM318N8)

Пример решения задачи 1. Вариант 31

Параметры операционного усилителя КР140УД11 (аналог LM318N8) (приложение Е):

– номинальное напряжение питания U_{пит ном} =±15 В;

– коэффициент усиления K_{u ОУ} =30000;

– максимально допустимое выходное напряжение U_{вых max}=12 В;

– разность входных токов ΔI_вх =0,2 мкА;

– входное сопротивление R_вх =0,4 МОм;

– минимальное сопротивление нагрузки R_{Н min}=2 кОм.

Разработанная схема инвертирующего усилителя низкой частоты приведена на рисунке 3.1 (цепи балансировки нуля – NC и частотной коррекции – FC не используются). Принцип ее работы описан в [2].

Рисунок 3.1 – Схема инвертирующего усилителя на ОУ КР140УД11

Для инвертирующего усилителя на ОУ входное сопротивление R _вх= R ₁. Чтобы не загружать источники сигнала, величину R ₁ желательно иметь большой. Но падение напряжения на R ₁ от разностного тока Δ I _вх воспринимается усилителем как сигнал. Чтобы отстроить эту помеху от полезного сигнала, надо иметь Δ I _вх· R ₁ значительно меньше, чем U _вхmin.

кОм >>R₁.

Принимаем из стандартного ряда Е24 (приложение В) R ₁ = 5,1 кОм, тогда

Δ I _вх· R ₁ = 0,2·5,1= 1 мВ << U _вхmin= 10 мВ.

Сопротивление обратной связи

R ₂ = K_u · R ₁= 20·5,1 = 102 кОм.

Принимаем R ₂ =100 кОм.

Для уравнивания входных токов ОУ по обоим входам в цепь неинвертирующего входа включают резистор R ₃:

кОм.

Принимаем R ₃ =4,7 кОм.

Амплитуда выходного сигнала не может быть больше максимального выходного напряжения (для данного типа ОУ – 12 В). Поэтому действующее значение максимального входного синусоидального сигнала составит:

В.

Модель инвертирующего усилителя на ОУ в среде Multisim (файл «Усилитель на ОУ.ms11») приведена на рисунке 3.2. Результаты моделирования при напряжении, не превышающем U_{вх max}: U_вх= 0,2 В; U_вых= 3,92 В.

Коэффициент усиления

≈20, что соответствует заданию.

Временные диаграммы работы усилителя при различных уровнях входного сигнала представлены на рисунке 3.3. Выходное напряжение U_вых смещено относительно входного U_вх на 180° (инвертирующий усилитель). При входном напряжении U_вх= 1В, превышающем U_{вх max}, наблюдается ограничение выходного напряжения на уровне U_{вых max}=12В (рисунок 3.3, б).

Рисунок 3.2 – Модель инвертирующего усилителя на ОУ

а)

б)

Рисунок 3.3 – Временные диаграммы работы инвертирующего усилителя на ОУ при входном напряжении U_{вх max}=0,2 В (а) и U_{вх max}=1 В (б)

Задача 2. Расчёт сумматора на основе операционного усилителя.

На основе заданного операционного усилителя разработать схему сумматора для выполнения заданной операции при сопротивлении обратной связи R_ос. Описать работу схемы, осуществить моделирование её работы при U ₁ = U ₂ = U ₃ = U ₄ = (0,1 В – группа №1; 0,2 В – группа №2;0,3 В – группа №3; 0,4 В – группа №4). Исходные данные приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Исходные данные

Номер варианта	Тип операционного усилителя	Операция	Rос,кОм
	КР140УД7 (μA741CD)	5U1 - U2 +2U3-2U4
	КР140УД11 (LM318N8)	3U1 +2U2 -2U3-U4
	КР140УД14 (LM308AM8)	3U1 -2U2 +2U3-4U4
	КР1408УД1 (LM343H)	- U1 +5U2 +2U3-3U4
	КР140УД18 (LF355BN)	- U1 + 2U2 +U3-5U4
	К140УД10 (LM118P)	2U1 +3U2 -U3-4U4
	КР140УД7 (μA741CD)	-2U1 +5U2 + 2U3-U4
	КР140УД11 (LM318N8)	4U1 -2U2 -2U3+U4
	КР140УД14 (LM308AM8)	4U1 - U2 -2U3+5U4
	КР1408УД1 (LM343H)	-2U1 +5U2 -2U3+3U4
	КР140УД18 (LF355BN)	5U1 - U2 +3U3-2U4
	К140УД10 (LM118P)	3U1 +3U2 -2U3-U4
	КР140УД7 (μA741CD)	3U1 -2U2 +5U3-4U4
	КР140УД11 (LM318N8)	- U1 +5U2 +5U3-3U4
	КР140УД14 (LM308AM8)	- U1 + 2U2 +3U3-5U4
	КР1408УД1 (LM343H)	2U1 +3U2 -5U3-4U4
	КР140УД18 (LF355BN)	-2U1 +5U2 + U3-U4
	К140УД10 (LM118P)	4U1 - U2 -2U3+U4
	КР140УД7 (μA741CD)	4U1 - 2U2 -2U3+5U4
	КР140УД11 (LM318N8)	-2U1 +7U2 -2U3+3U4
	КР140УД14 (LM308AM8)	5U1 - U2 +2U3-U4
	КР1408УД1 (LM343H)	3U1 +2U2 -2U3-2U4
	КР140УД18 (LF355BN)	3U1 -2U2 +2U3-5U4
	К140УД10 (LM118P)	- U1 +5U2 +2U3-6U4
	КР140УД7 (μA741CD)	- U1 + 2U2 +U3-8U4
	КР140УД7 (μA741CD)	2U1 +3U2 -U3-6U4
	КР140УД11 (LM318N8)	-2U1 +5U2 + 2U3-3U4
	КР140УД14 (LM308AM8)	4U1 -2U2 -2U3+2U4
	КР1408УД1 (LM343H)	4U1 - U2 -2U3+7U4
	КР140УД18 (LF355BN)	-2U1 +5U2 -2U3+5U4
	КР140УД11 (LM318N8)	6U1+U2-2U3-3U4

Пример решения задачи 2. Вариант 31

Схема параллельного сумматора для реализации заданной функции приведена на рисунке 3.4. Принцип ее работы описан в [2]. Количество неинвертирующих входов соответствует числу положительных, а число инвертирующих – числу отрицательных членов функции.

Рисунок 3.4 – Схема параллельного сумматора на ОУ КР140УД11

Выходное напряжение параллельного сумматора

U_вых = K_{i н}· U_{i н} – K_{i и}· U_{i и},

где K_{i н}, U_{i н}, K_{i и}, U_{i и} – коэффициенты усиления (весовые коэффициенты) и входные напряжения по каждому из неинвертирующих и инвертирующих входов;

,

где R _oc– сопротивление обратной связи (резистор R ₅);

R_i – сопротивление в цепи данного входа. По заданному значению R ₅ и весовым коэффициентам входов (K ₁ = 6, K ₂ = 1, K ₃ = 2, K ₄ = 3) определяем:

кОм;

кОм;

кОм;

кОм.

Принимаем сопротивления из стандартного ряда (приложение В): R ₁=8,2 кОм; R ₂ =51 кОм; R ₃ =24 кОм; R ₄ =16 кОм.

Для нормальной работы сумматора надо уравнять сопротивления по обоим входам. В противном случае входные токи ОУ вызовут на них неодинаковое падение напряжений и на входе ОУ появится разностный сигнал, который будет им усилен. На выходе будет U _вых при отсутствии U _вх. Входное сопротивление по инвертирующему входу

мОм^-1

(R_И =8 кОм);

по неинвертирующему входу

кОм

Для уравнивания входных сопротивлений параллельно инвертирующему входу надо включить резистор R ₆ так, чтобы

;

кОм.

Выходное напряжение при выполнении данной операции U _вых=
= 6U + U – 2 U – 3 U = 2 U. При максимальном выходном напряжении ОУ U _выхmax=12 В единичное входное напряжение (равное по всем входам)

В.

При единичном входном напряжении 100 мВ U ₁ = U ₂ = U ₃ =
= U ₄ = 100 мВ. Для выходного напряжения за счет первого входа U _вых1 = K ₁ U ₁ = 6·100 = 600 мВ. Длядругих входов U _вых2 = K ₂ U ₂ = 1·100 =100 мВ, U _вых3 = =– K ₃ U ₃ = –2·100 = –200 мВ, U _вых4 = – K ₄ U ₄ = –3 × 100 = –300 мВ. Выходное напряжение сумматора

600+100-200-300=200 мВ.

Модель параллельного сумматора на ОУ в среде Multisim (файл «Сумматор на ОУ.ms11») приведена на рисунке 3.5. Результаты моделирования при входных напряжениях: U ₁ = U ₂ = U ₃ =
= U ₄ = 100 мВ; U_вых= 191мВ≈ 200мВ, что соответствует расчёту.

Рисунок 3.5 – Модель параллельного сумматора на ОУ

Дата добавления: 2015-05-06