Метою проведення розрахунково-графічної роботи є визначення вміння студентів самостійно опрацьовувати довідковий та інформаційний матеріал, закріпити знання щодо визначення параметрів електронних схем, формулювати логічно обґрунтовані відповіді. У процесі виконання роботи студент зобов'язаний дотримуватися певних правил та стандартів щодо оформлення розрахунково-графічних завдань.

Розрахунково-графічні завдання можуть бути виконані у зошиті з обов'язковим указанням варіанта кожного з розрахованих завдань, вихідних даних та електричної принципової схеми. Титульна сторінка повинна нести інформацію про вид роботи, яка виконується, про дисципліну, з якої виконується робота, прізвище, ім'я, по батькові та групу виконавця, а також прізвище викладача, який перевірив роботу. Кожне нове завдання має починатись з нової сторінки. Пункт або підпункт може продовжуватись на тій самій сторінці, де закінчився попередній пункт або підпункт. Обов'язково повинен указуватись номер підпункту, назва параметра, що розраховується, наводитись формула, яка використовується для розрахунку (з її порядковим номером у завданні) та пояснені скорочення і невідомі літери у розрахунках.

2. Перелік завдань

Завдання 1

Розрахувати вимірювальний підсилювач на основі операційного підсилювача (ОП) для підсилення сиґналу різниці з діагоналі мосту, в одне з плечей якого ввімкнений терморезистор (рис.1). При зміні температури на кожні 10⁰С виникає розбалансування моста ДRx. Номінальні значення резисторів моста R_x=R₁; R₂ = R₃ та напруга живлення моста Еп вказано у таблиці 1. Необхідне значення коефіцієнта підсилення повинно реґулюватися у межах ДКu. Вхідний опір R_вх ?50 кОм. Оцінити величину синфазної завади на виході підсилювача, ураховуючи розкид номінальних опорів резисторів схеми. Відносна похибка вимірювання для всіх варіантів не повинна перевищувати 2 %.

Рисунок 1 - Вимірювальний підсилювач на основі ОП для підсилення сиґналу різниці з діагоналі мосту

Методика виконання завдання

1.1 Вибираємо тип ОП. Для зменшення похибки, що викликана вхідним струмом різниці, бажано використовувати типи ОП, вхідні каскади яких побудовано на польових транзисторах.

фахівець схемотехніка мікроелектроніка

Таблиця 1

1.2 Розрахуємо величини диференційного та синфазного сигналів на вході підсилювача:

, (1.1)

,

де - розбаланс мосту при нагріванні на ДТ.

Терморезистори серії ММТ-1 и ММТ-4 мають діапазон номінальних значень у межах 1 - 200 кОм, ММТ-8: 0,001 - 1 кОм, ММТ-9: 0,01 - 5 кОм.

1.3 Вибираємо номінали резисторів схеми, виходячи з того, що каскад DАЗ являє собою підсилювач різніцевих сигналів, які прикладено до входів ОП. Його вихідна напруга визначається наступним співвідношенням:

. (1.2)

Якщо R₄=R₆; R₅=R₇; та R₇/R₆ = R₅/R₄ = m, то

. (1.3)

Відповідно до цього для достатнього підсилення різницевого сигналу та придушення синфазних завад необхідний точний підбір резисторів R₄, R₅, R₆, R₇. Тому рекомендують вибирати прецизійні резистори з допустимим відхиленням величини опору від номінального Дm = ± 0.5 и ± 0.1%, при тому, що R₅ та R₇ вибирають порядку 100 кОм, а m = (3 ч 5).

Опір змінного резистора аR визначається потребуємою глибиною реґулювання коефіцієнта підсилення К_uрізн:

(1.4),

Прийнявши значення R = R₄ = R₆, визначимо величину опору змінного резистора з умови, що аR ? а_minR. При цьому слід пам'ятати, що а_min ? а_max.

1.4 Визначимо коефіцієнт послаблення синфазного сигналу підсилювача при К_uрізнmax:

, (1.5)

де - відхилення у відсотках від номінальних значень опорів резисторів R₄, R₅, R₆, R₇.

Порівняємо отриманий результат з указаним значенням К_{пос_сф_оп} на даний тип ОП, що зумовлено неідентичністю параметрів плечей операційного підсилювача. З двох значень К_{пос_сф} вибираємо менше та обчислюємо величину синфазної похибки на виході підсилювача:

, (1.6)

де К_uд = К_{uрізн max.}

1.5 Визначимо відносну похибку вимірювання при максимальному корисному сигналі:

(1.7)

Перевіримо, щоб її розрахована величина не перевищувала встановленого умовами значення 2 %. За необхідності виконуємо кориґування параметрів схеми.

Завдання 2

Розрахувати схему автогенератора лінійно-зростаючої напруги на операційному підсилювачі (ОП), що забезпечує частоту генерації - f_г, амплітуду вихідної напруги U_вихmax, нелінійність о, відносну нестабільність частоти генерації дf_г у діапазоні температур (-40 ч +40 ^оС) при роботі на опір навантаження R_н = 10 кОм. Числові значення параметрів відповідно до варіанта наведено у таблиці 2.

Рисунок 2 - Автогенератор лінійно-зростаючої напруги на операційному підсилювачі

Таблиця 2

Методика виконання завдання

2.1 Вибираємо напругу джерела живлення, необхідну для отримання заданої амплітуди вихідного сигналу:

(2.1)

де с - (0,85…0,95) - коефіцієнт використання напруги живлення.

Отримане в (2.1) значення Е_жив є одним з критеріїв вибору типу ОП та після його вибору беруть рівним типовому для даного ОП значенню U_дж.

Критерії вибору:

(2.2)

2.2 Оскільки вказані в таблиці 2 значення частот генерації досить малі, то немає необхідності враховувати інерційні властивості ОП, та, окрім критерія (2.2), при виборі типу ОП, враховуємо тільки вплив величини його вхідного опору R_{вх ОП} на на лінійність та амплітуду вихідного сигналу.

Почнемо розрахунок з вибору елементів хронуючого ланцюга R₁С.

(2.3)

Величину Е_вх вибираємо з наступних виразів:

(2.4)

та оскільки Е_вх визначається напругою стабілізації стабілітронів VD₃ та VD₄, то його вибирають стандартним, таким що задовольняє умові (2.4). Задавши тип стабілітронів та врахувавши умови I_{ст. ном} < I_{вихОПmax}, бажано отримати при цьому значення R₁С ? IС.

Визначивши R₁С з (2.3), вибираємо високоякісний плівковий конденсатор С = (0.1 ч 1) мкФ та визначаємо величину R₁. Виберемо стандартне значення, а при неможливості замінимо R₁ двома послідовно з'єднаними стандартними опорами, одне з яких може бути змінним. Після чого приймаємо R₀ = R₁ та С₀ = С_1.

2.3 Для отримання заданої амплітуди та лінійності необхідно, щоб R_вх ОП >> R₁ або:

(2.5)

2.4 Для вибраного типу ОП знаходимо К_u та визначаємо нелінійність схеми генератора (без урахування опорів витікання конденсатора С):

(2.6)

Отримане значення має бути не більше за величину, яку наведено у табл.2.

2.5 Величину резистора R₂ вибираємо з умов малої тривалості зворотнього ходу пилкоподібної напруги , а саме:

Знаючи С, отримаємо:

(2.7)

Вибираємо найближче менше стандартне значення R₂.

2.6 Величину R₆ визначимо з умов відсутності шунтування стабілітронів VD₃ і VD₄:

(2.8)

Вибираємо найближче більше стандартне значення.

2.7 Величина опору резистора R₅ не повинна бути меншою мінімально допустимого опору навантаження операційного підсилювача, і його вибирають з умови:

(2.9)

2.8 Для зменшення шунтування вхідного ланцюга підсилювача DA₂ з урахуванням ПЗЗ величини R₃ та R₄ вибираємо з умови:

Зазвичай R₃ = R₄ = (100 ч 200) кОм.

Для послаблення впливу вхідного струму зміщення опір з боку обох входів вибирають однаковим:

2.10 Як VD₁ і VD₂ використовують кремнійові діоди малої потужності типу КД102А, Б, КД103А, Б, КД503А, Б та інші, які мають високе значення зворотніх опорів r_звор.

2.11 Як видно зі схеми, паралельно до резистора R₁ та діода VD₁ підключено послідовно з'єднані діод VD₂ і резистор R₂, що створюють ланцюг втікання, який збільшує значення вихідної частоти:

де - амплітуда вихідної напруги при температурі ; - амплітуда вихідної напруги при температурі = 20 ⁰С.

де - зворотний опір діода VD₂.

Визначивши його значення для = - 40 ⁰C; =+40 ⁰C; и = +20 ⁰C, знайдемо три значення частоти: ; ; .

Розрахована величина не повинна перевищувати заданої в умовах завдання.

Завдання 3