Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти та науки України

Тернопільський національний економічний університет

Факультет комп'ютерних інформаційних технологій

Кафедра комп'ютерної інженерії

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни «Комп'ютерна електроніка»

на тему: Розробка інвертуючого підсилювача

Студентки гр. КСМ- 21 Гайди Л.П.

Керівник роботи Трембач Ростислав Богданович

Тернопіль 2011



Анотація

Під час виконання даної роботи я розраховувала інвертуючий підсилювач на операційних підсилювачах. Для підібраної моделі операційного підсилювача я розраховувала блок живлення.

Дана розробка виконана на мікросхемах ОП типу К140УД7. Щоб забезпечити живлення даної мікросхеми я розрахувала однофазний мостовий випрямляч з ємнісним фільтром в будові якого знаходиться трансформатор. В даній роботі містяться усі розрахунки, а також структурні і принципові схеми.



Зміст

Вступ

1 Розробка інвертуючого підсилювача на ОП

1.1. Опис принципу роботи операційного підсилювача

1.2. Принцип роботи інвертуючого підсилювача

1.3. Попередній розрахунок інвертуючого підсилювача

1.4. Структурна схема інвертуючого підсилювача на ОП

2. Розрахунок та вибір елементів електричної принципової схеми

2.1 Вибір елементів електричної принципової схеми інвертую чого підсилювача

2.1.1 Вибір ОП

2.1.2 Вибір резисторів

2.1.3 Розрахунок споживаної потужності

2. 2 Розрахунок блоку живлення

2.2.1 Розрахунок стабілізатора напруги

2.2.2 Вибір діодного моста

2.2.3 Вибір трансформатора

3 Моделювання

Висновки

Список використаних джерел



Вступ

Операційний підсилювач -- підсилювач постійного струму з диференційним входом, що має високий коефіцієнт підсилення. Призначений для виконання різноманітних операцій над аналоговими сигналами, переважно, в схемах з від'ємним зворотним зв'язком (ВЗЗ). Операційні підсилювачі застосовуються в різноманітних схемах радіотехніки, автоматики, інформаційно-вимірювальної техніки, - там, де необхідно підсилювати сигнали, в яких є постійна складова.

В даний час ОП отримали широке застосування, як у вигляді окремих мікросхем, так і у вигляді функціональних блоків - у складі складніших мікросхем. Така популярність обумовлена тим, що ОП є універсальним блоком з характеристиками, близькими до ідеальних, на основі якого можна побудувати безліч різноманітних електронних вузлів.



1. Розробка інвертуючого підсилювача на ОП

1.1 Опис принципу роботи операційного підсилювача

Аналогові інтегральні мікросхеми (АІС) призначені для перетворення і обробки електричних сигналів, що змінюються по безперервному закону. Це або напруга U(t) або I(t) . Успіхи в області технології і схемотехніки сприяли тому, що АІС є на даний момент основними компонентами аналогових пристроїв і систем. Інтегральна технологія дозволяє отримувати груповим методом на одній підкладці сукупність елементів з взаємно погодженими характеристиками. Особливістю схемотехніки АІС є реалізація принципу надмірності схемотехніки. Він дозволяє вибирати такі рішення схемотехніки, які зрештою завдяки інтегральній технології покращують якість виробів, мінімізують площу кристала, підвищують технологічність. Все це привело до того, що основною аналоговою мікросхемою універсального призначення став операційний підсилювач.

Операційним підсилювачем (ОП) називають підсилювач напруги, призначений для виконання різних операцій над аналоговими сигналами при роботі в ланцюгах з негативним зворотним зв'язком (НЗЗ), до складу яких можуть входити опори (R), ємкості (С), індуктивності (L), діоди, транзистори і інші елементи.

Основні вимоги до ОП зводяться до того, щоб він як можна ближче відповідав ідеальному джерелу напруги, керованому напругою з нескінченно великим коефіцієнтом посилення. А це означає, що вхідний опір ОУ має дорівнювати нескінченності (R вх = ? ) і, отже, вхідний струм I вх =0. Вихідний опір має дорівнювати нулю (R вих =0), а навантаження не повинне впливати на вихідну напругу. Частотний діапазон підсилювальних сигналів повинен тягнутися від постійної напруги до дуже високих частот. Оскільки коефіцієнт посилення великий, то при кінцевому значенні U_вих напруга на його вході має бути близькою до нуля.

Умовне позначення ОП приведене на рис.1.1

Рис.1.1 Умовне позначення операційного підсилювача.

Вхідні сигнали U вх1 і U вх2 можна подавати на будь-який з двох входів - що інвертує (позначений кружком) і не інвертує. Вхідний ланцюг ОУ виконаний за диференціальною схемою. Є виводи для подачі живлення Еп і підключення додаткових схем. Різницева напруга (U_вх1-U_вх2 )=U_диф є диференціальним вхідним сигналом, воно прикладене між інвертуючим і неінвертуючим входами ОП. Вихідна напруга визначається у вигляді

U_вих = (U_вх1- U_вх2)*K,

де K> ? коефіцієнт посилення по напрузі ОП.

Напівсума напруги 1/2(U_вх1+U_вх2) називається синфазним сигналом. Для цього сигналу вихідна напруга має дорівнювати нулю, проте в реальних підсилювачах це не виконується.

Основними параметрами операційного підсилювача є:

- коефіцієнт підсилення по напрузі:

K_UC=U_вих/U_вх;

- амплітудно-частотна характеристика;

- частота одиничного підсилення;

- вхідний опір R_вх;

- вихідний опір R_вих;

- вхідні струми I_вх(+), I_вх(-);

- похибка вхідних струмів

? I_вх =¦ I_вх(-)- I_вх(+)¦;

- вихідний струм I_вих;

- швидкість наростання вихідного сигналу V;

- напруга зміщення U_зм;

- потужність;

- дрейф напруги зміщення ?U_зм/градус;

- дрейф похибки вхідних струмів ?I_вх/градус;

- коефіцієнт придушення синфазних перешкод.

Функції, які виконують ОП визначаються елементами зворотнього зв'язку, в якості яких використовуються резистори, ємності, індуктивності, напівпровідникові прилади. На основі ОП можуть бути побудовані масштабні підсилювачі, суматори, інтегратори, стабілізатори струму і напруги, активні фільтри, підсилювачі змінного струму, генератори імпульсних сигналів, функціональні перетворювачі, схеми порівняння.

Типові схеми ввімкнення та реалізації математичних операцій з

допомогою операційних підсилювачів:

1. Повторювач напруги

Рис.1.2

При реалізації 100% від'ємного зворотного зв'язку за напругою, що задається із закороченням виходу з інвертуючим входом Uвих = Uвх, при цьому Rвх буде збільшений - Rвх(1+Кu), а вихідний зменшений - Rвих.зв = Rвих./(1+Кu). Uвих = Uвх.н.

Синфазний сигнал практично повністю подавляється, оскільки ДUвх = Uвх.н - Uвх.і

2. Неінвертуючий підсилювач

Рис.1.3

В неінвертуючому підсилювачі вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід. До інвертуючого входу вмикаються ланки послідовного зворотного зв'язку за напругою.

Коефіцієнт підсилення за зворотним зв'язком визначається через коефіцієнт підсилення без зв'язку і коефіцієнт передачі ланки зворотного зв'язку в. мікросхема операційний підсилювач

.

Величина сигналу, що подається на інвертуючий вхід в визначається через відношення опорів резистивного подільника.

.

Враховуючи, що , одиницею в знаменнику можна знехтувати.

Отже, коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача не може бути меншим одиниці. Величина його повністю визначається ланкою зворотного зв'язку.

1.2 Опис принципу роботи інвертуючого підсилювача

Рис.1.4 Схема інвертуючого підсилювача.

Тут ОП охоплений паралельним негативним зворотним зв'язком по напрузі. На інвертуючий вхід ОП за схемою подається сигнал, визначений сумою вхідної і вихідної напруги дільником на опорах R₁, R₂ . Оскільки неінвертуючий вхід ОП сполучений із загальним виводом, а U_диф ? 0, та напруга на інвертуючому вході також дорівнює нулю. В результаті для схеми можна записати рівняння

,

звідки знаходимо коефіцієнт посилення підсилювача:

,

Вхідний опір інвертуючого підсилювача визначається у вигляді:

r_{вх інв.} =R₁ +r_вх.диф. || [R₂ /(K+1)] .

де другий доданок - опір паралельний включених вхідного опору ОП і зменшеного в (К+1) разів опору резистора зворотного зв'язку R₂. Приблизно rвх інв. ? R₁.

Якщо в ланках зворотного зв'язку використовують суперпозицію сигналів або нелінійні елементи, зв'язок між струмом і напругою в яких описується певним математичним законом, то на схемотехнічному рівні можна реалізувати математичну обробку сигналів.

Схеми додавання і віднімання сигналів:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1.5

Точку з'єднання R1…Rm на інвертуючому вході можна вважати точкою Кірхгофа, в якій справджується І закон про суму струмів. Якщо окремо використовувати тільки по одному подільнику на інвертуючому та неінвертуючому вході, то одержимо диференційний каскад підсилення, в якому вихідна напруга буде визнчатись різницею напруг неінвертуючого та інвертуючого сигналів.

Uвих = Uвх.н - Uвх.і

Коли в каскаді буде виконуватись вимога пропорційності відповідних вхідних резистивних подільників , амплітуда вхідних сигналів на інвертуючому та неінвертуючому входах буде однаковою, то ми одержимо синфазні сигнали і вихідний сигнал буде рівний нулю. В протилежному випадку сигнали, які подаються на неінвертуючий вхід будуть додаватися, тобто ми одержимо найпростіший суматор; сигнали, що подаються на інвертуючий вхід є протифазними, тому вони теж

додаються, але з протилежним знаком, таким чином одержимо схему віднімання сигналів. При наявності всіх диференційних сигналів реалізовується схема додавання та віднімання.

1.3 Попередній розрахунок інвертуючого підсилювача

Рис. 1.6

Вихідні дані:

Обчислення:

-120= х=-1,2;

,

,

,

1.4 Структурна схема інвертуючого підсилювача на ОП

Структурна схема інвертуючого підсилювача на ОП представлена на рис.1.7.

Рис.1.7

Структурна схема блоку живлення представлена на рис.1.8.

Рис.1.8

2. Розрахунок та вибір елементів електричної принципової схеми

2.1 Вибір елементів електричної принципової схеми інвертуючого підсилювача

2.1.1 Вибір ОП

В якості операційного підсилювача вибираємо мікросхему 140УД7 (Москатов Е.А. Справочник по полупроводниковым приборам. Издание 2. - Таганрог, 219 с.,ил.). Схема підключення елементів даної мікросхеми наведена на рис. 2.1.

Зауважимо: оскільки підсилювач призначений для підсилення сигналу напруги постійного струму, то коригуючий конденсатор С₁ не встановлюємо.

Рисунок 2.1.

Призначення виводів:

1 - установка нуля;6 - вихід;

2 - інвертуючий вхід;7 - U- (звичайно +15 В)

3 - не інвертуючий вхід;5 - установка нуля;

4 - U- (звичайно - 15 В);



Електричні параметри мікросхеми

2.1.2 Вибір резисторів

Ряд номінальних значень: Е 24

Марка резисторів: С2-33

= 0,2 кОм ± 5%

= 24 кОм ± 5%

= 2,4 кОм ± 5%

(Трембач Р.Б. Методичні вказівки до виконання роботи з дисципліни “Комп'ютерна електроніка” для спеціальності “Комп'ютерні системи та мережі” освітньо-кваліфікаційного рівня “бакалавр” - Тернопіль: 2007. - 64 с.)

2.1.3 Розрахунок споживаної потужності

Потужність, що виділяється в резисторах підсилювача, становить:

Р_R = RI²

Р_R2=200Ом*0,00005А=0,01Вт

Р_R3=24000Ом*0,05А=120Вт

Р_R4=240Ом*0,0005А=0,12Вт

Обчислимо потужність мікросхеми:

І = 2,8 мАU_{мікросхеми} = 15 ВР_{мікросхеми} = U І

Р_{мікросхеми} = 0,0028*15 = 0,042 Вт

Загальна потужність:

Р= Р_R2+ Р_R3+ Р_R4+ Р_{мікросхеми}=0,01Вт+120Вт+0,12Вт+0,042 Вт=120,172Вт

2.2 Розрахунок блоку живлення

Рисунок 2.2 Результат роботи осцилографа

2.2.1 Розрахунок стабілізатора

В якості стабілізатора напруги використовуємо ІМС КР142ЕН8Б.

Вихідні дані при застосуванні універсального стабілізатора КР142ЕН8Б

1) U_вих = 12 В

2) U_{вх min} = 15 В

3) U_{вх max} = 20 В

4) Р_н = 1 Вт

U_{вх max}< U_{вх max доп.}20 В < 30 В

U_{вх min} - U_вих = U_{імс доп}

15 - 12 = 3 > 2,5 -- U_{імс min}

I_н = Р_н / U_вих = 0,042 Вт / 12 В = 0, 0035 А

ДU = 20 - 12 = 8 В Р_імс = 8*0,0035 = 0, 028 Вт

U_{вх max} = 12 В<45 В = U_{вх max доп.}

15 - 12 = 3 > 2,5 -- U_{імс min}

I_н = 1 / 12 = 0, 083 AДU = 20 - 12 = 8 В Р_імс = 8*0,83 = 0,664 Вт

Р_імс < 1 Вт, то використовується ІМС без тепловідводу.

Для від'ємної вітки напруги обчислення здійснюються аналогічно.

2.2.2 Вибір діодного моста

· В якості випрявляча вибираємо діодний міст КЦ405А з такими параметрами: Максимальна постійна зворотна напруга, В 600;

· Максимальна імпульсна зворотна напруга, В 600;

· Максимальний прямий (випрямленний за напівперіод) струм, А 1;

· Максимальний зворотний струм, мкА 125;

· Робоча частота, кГц 5;

· Максимальна пряму напругу, В 4;

· при Іпр., А 1;

· Робоча температура, С -40 ... 85.

Графічне позначення діодного моста зображене на рисунку 2.3:

Рисунок 2.3

2.2.3 Вибір трансформатора

Обраний трансформатор - універсальний уніфікований трансформатор Т2.

Основні параметри трансформатора:

*Uвх.ном = 220В;

*Івх = 0,26А;

*Р = 57,2Вт;

*Uвих.ном = 18В;

*Івих.ном = 0,9А.

Таблиця 2.1

Типоноінал трансформатора	Типорозмір магнітопровода	Первинна обмотка	Вторинна обмотка
		Виводи обмоток	Напруга, В	Струм, А	Виводи обмоток	Номін. напруга, В	Номін. струм, А
1	2	3	4	5	6	7	8
Т2	ШЛМ25Х25	1 - 2	220	0, 26	24 - 25 25 - 26 3 - 4 5 - 6 6 - 7	15 3 190 18 16	0,03 0,03 0,1 0,9 0,9



3. Моделювання

Після розрахунків ми приступили до моделювання нашої схеми. Моделювання ми проводили в середовищі програми Multisim 10 ми в точності склали електричну принципову схему (рис. 3.1), також задали потрібні номінали резисторів. Для створення сигналів на вхід операційного підсилювача ми за допомогою генератори задали струм з напругою для того, щоб можна було чітко побачити графік, на виході ми приєднали осцилограф до каналів якого приєднали вхідний сигнал і вихідний, щоб можна було побачити конкретні їхні зміни. Перевіривши правильність зібраної схеми ми її ввімкнули і розглядаючи побудований графік (рис 3.2)ми побачили що схема працює правильно.

Рисунок 3.1 Схема у Multisim 10

Рисунок 3.2 Покази осцилографа

Висновки

Під час виконання роботи я навчилася розраховувати інвертуючи підсилювачі на операційних підсилювачах. Також я вибрала потрібну схему ОП, для якої розробляла блок живлення. Дослідила основні параметри по яких вибираються підсилювачі. В ході виконання роботи я побудувала структурну і принципову схеми даного підсилювача.

Забезпечила певну покращену схему даного приладу поставивши резистор зворотного зв'язку змінним, тим самим забезпечили ручну зміну підсилення вхідного сигналу.

Зробила моделювання приладу і переконалася, що розраховані параметри вихідного сигналу співпадають з дійсними параметрами проектованого підсилювача.

Спроектований підсилювач повністю задовольняє вимоги технічного завдання й конструктивно може бути виконаний на друкованій платі.

Размещено на Allbest.ru

...