Розробка інвертуючого підсилювача

Міністерство освіти та науки України

Тернопільський національний економічний університет

Факультет комп’ютерних інформаційних технологій Кафедра комп’ютерної інженерії

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни «Комп'ютерна електроніка»

на тему: Розробка інвертуючого підсилювача

Студента гр. КСМ- 21

П.І.П підпис Керівник роботи:

Трембач Ростислав Богданович Тернопіль 2011

Тернопільський національний економічний університет

Факультет комп’ютерних інформаційних технологій

Кафедра комп’ютерної інженерії

ЗАВДАННЯ

на курсову роботу з дисципліни «Комп'ютерна електроніка»

студента групи КСМ -21 _______________________________

(прізвище, ім'я, по-батькові)

1.Тема роботи Розробка інвертуючого підсилювача

2.Термін здачі студентом закінченої роботи₁₅ травня______________

3.Вхідні дані по роботі

4. Зміст розрахунково-пояснювальної частини (перелік питань, котрі підлягають розробці)

1.Розробка структурної та функціональної схеми пристрою.

2. Розробка принципової схеми пристрою.

3. Моделювання пристрою.

5.Перелік графічного матеріалу (з точним вказуванням обов’язкових креслень)

1. Структурна схема пристрою (А4).

2. Функціональна схема пристрою (А4).

3. Електрична принципова схема пристрою (А4, А3).

_______________________________________________________________________________________________________________________________

АНОТАЦІЯ

У даній курсовій роботі я розрахував інвертуючий підсилювач на ОП (операційних підсилювачах), а також розрахував блок живлення для підібраної моделі операційного підсилювача.

Розробка виконана на мікросхемах ОП типу К140УД7, для забезпечення живлення даної мікросхеми я розрахував однофазний мостовий випрямляч з ємнісним фільтром в будові якого знаходиться трансформатор. Всі розрахунки приведені в курсовій роботі, а також структурні та принципові електричні 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 принциової схеми інвертуючого підсилювача

2.2 Розрахунок блоку живлення

3 Моделювання Висновки Список використаних джерел Додатки Додаток, А Електрична принципова схема підсилювача Додаток Б Функціональна схема підсилювача

Вступ Операційний підсилювач (ОП) — це підсилювач постійного струму (ППС), що має високий коефіцієнт підсилення, два входи (так званий диференційний вхід) і один вихід. Поширеному застосуванню ОП сприяють їхні високі параметри. Це великий коефіцієнт підсилення за напругою, що становить; високий вхідний опір по кожному з входів —; низький вихідний опір; досить широкий частотний діапазон — від нуля до одиниць мегагерц.

Умовне позначення ОП наведене на рис. 1 а (на рис. 1 б, в надано умовні позначення, прийняті у деяких зарубіжних країнах).

а). б) в)

Рисунок 1 — Умовні позначення ОП

інвертуючий операційний підсилювач

Вхід, на який подано називається інвертуючим, а — неінвертуючим. Якщо сигнал подати на неінвертуючий вхід, то зміни вихідного сигналу співпадають за знаком (фазою) із змінами вхідного. Якщо на інвертуючий вхід, то зміни матимуть протилежний знак (фазу) щодо до змін вхідного. Інвертуючий вхід використовують для охоплення ОП зовнішніми НЗЗ, а неінвертуючий — ПЗЗ.

1 Розробка інвертуючого підсилювача на ОП

1.1. Опис принципу роботи операційного підсилювача

Рисунок 1.1

Операційні підсилювачі - це пристрої, виконані на основі схем підсилювачів постійного струму, які призначені для функціональної обробки сигналів.

Ідеальний підсилювач володіє коефіцієнтом підсилення, що прямує до безмежності, безмежним вхідним та практично нульовим вихідним опором і безмежною смугою пропускання. Такі підсилювачі реалізують на основі кількох диференційних послідовно ввімкнених каскадів підсилення. Вони можуть вмикатись як в однополярному, так і в диференційному зміщенні. Завдяки безмежному коефіцієнту підсилення параметри ОП повністю визначаються колами зворотного зв’язку. Такий підсилювач має вхідний інвертуючий та неінвертуючий сигнали, вихідний електрод та клеми для ввімкнення біполярного живлення.

Основні параметри підсилювача:

1. Вхідна напруга

2. Вхідний струм

Ці параметри вказують на номінальні значення вхідних сигналів, що забезпечують заданий, як правило, одиничний рівень підсилення.

Рисунок 1.2

3. Коефіцієнт підсилення (~105, 106)

4. Вхідний опір

Розрізняють диференційний опір, який вимірюється між входами (інвертуючим та неінвертуючим) та синфазний, що вимірюється між загальним проводом та паралельно замкненими входами.

5. Вихідний опір (~10,100 Ом)

6. Гранична смуга підсилення

7. Швидкість зростання вихідного сигналу (1 В за 1мкс)

Структурна схема типового ОП складається з вхідного каскаду узгодження і вихідного каскаду потужності.

Вхідний каскад на транзисторах VT1, VT2 виконується у вигляді диференційного підсилення. Живлення його забезпечується схемою струмового дзеркала на транзисторах VT3, VT4. узгоджений каскад є також диференційним, але виконаний він на транзисторах протилежного типу провідності відносно вхідного каскаду. Сигнал на вихідний каскад VT8, VT9

подається через схему з загальним емітером VT7. для корекції нуля вихідного сигналу при відсутності вхідного застосовують додаткове коло корекції від зовнішнього джерела через Rкор. Вихідні Re' та Re'' зменшують вихідний опір схеми. Передаточна характеристика ОП є практично лінійною з досить малим значенням динамічного діапазону за вхідним сигналом. Вихідна напруга є дещо меншою за напругу живлення.

Рисунок 1.3

Типові схеми ввімкнення та реалізації математичних операцій з

допомогою операційних підсилювачів

1. Повторювач напруги

Рисунок 1.4

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 Рисунок 1.5

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.

.

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 Принцип роботи інвертуючого підсилювача

Інвертуючий підсилювач

Рисунок 1.6

В інвертуючому каскаді і інформаційний сигнал, і сигнал зворотного зв’язку подається на інвертуючий вхід. Таким чином тут реалізовується паралельний зворотний зв’язок. Оскільки вхідний опір є дуже великим, то потенціал інвертуючого входу вважають віртуальним нулем. Коефіцієнт передачі інвертуючого каскаду визначається як добуток коефіцієнту передачі самого підсилювача з зворотним зв’язком та вхідним опором подільника.

Враховуючи, що, отримаємо:

.

Як видно із останнього співвідношення за рахунок зменшення опру zзз коефіцієнт передачі інвертуючого каскаду ОП може бути як завгодно малим і теж повністю визначається ланкою зворотного зв’язку. При цьому мале значення КU<1 обумовлене не ОП, а вхідним резистивним подільником.

Якщо zзз>>z1, то коефіцієнт передачі як інвертуючого, так і неінвертуючого каскадів є досить великі і практично однакові. Різниця полягає тільки в інверсії фази вхідного сигналу в інвертую чому каскаді порівняно з неінвертуючий.

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

Рисунок 1.7

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

Рисунок 1.8

Вхідні дані: = х; R₃ = 75 кОм; R₄ = 6,2 кОм; U₁ = x; U₃ = x; I₃ = x; I₄ = 1;

= -50

Обчислення:

= -; - = -50; = 50;

= 50; х==1,5 кОм; = 1,5кОм;

;; ;

x=6,2; = 6,2 В; ;

= 0,08 мА; = 0,08 мА;

=; =; -50= ;

х= = - 0,124 В; = - 0,124;

==0,08 мА

1.4 Структурна схема двовходового інвертуючого підсилювача на ОП

Структурна схема двовходового інвертуючого підсилювача зображена на рисунку 1.8.

U1

Uвих

U2

Рисунок 1.9

Структурна схема блоку живлення

+Uж

— Uж

Рисунок 1.10

2 Розрахунок та вибір елементів електричної принципової схеми

2.1 Вибір елементів електричної принциової 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; 5 — установка нуля;

2 — інвертуючий вхід; 6 — вихід;

3 — не інвертуючий вхід; 7 — U- (звичайно +15 В)

4 — U- (звичайно — 15 В);

Електричні параметри мікросхеми

2.1.2 Вибір резисторів

Ряд номінальних значень: Е 24

Марка резисторів: С2−33

= 1,5кОм ± 5%

= 75кОм ± 5%

= 6,2кОм ± 5%

(Трембач Р.Б. Методичні вказівки до виконання курсової 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:

РR = RI2

РR1 =1500* 0,64 = 9,6*10−8 Вт

РR3 =75 000*0,64 = 4,8*10−4 Вт

РR4 =6200*0,1= 6,2*10−3 Вт

Обчислимо потужність мікросхеми:

І = 2,8 мА

Uмікросхеми = 15 В

Рмікросхеми = U І

Рмікросхеми = 0,0028*15 = 0,042 Вт

Загальна потужність: 0,96+0,48+0,0062+0,042? 0,05 Вт

2.2 Розрахунок блоку живлення

Рисунок 2.2 Блок живлення

Рисунок 2.3 Результат роботи осцилографа

2.2.1 Розробка стабілізатора напруги

В якості стабілізатора напруги використовуємо ІМС КР142ЕН8Б.

Вихідні дані при застосуванні універсального стабілізатора КР142ЕН8Б

1) Uвих = 12 В

2) Uвх min = 15 В

3) Uвх max = 20 В

4) Рн = 1 Вт

Uвх max< Uвх max доп

20 В < 30 В

1. Uвх min — Uвих = Uімс доп

15 — 12 = 3 > 2,5 — Uімс min

Iн = Рн / Uвих = 0,042 Вт / 12 В = 0, 0035 А

ДU = 20 — 12 = 8 В

Рімс = 8*0,0035 = 0, 028 Вт

2. Uвх max = 12 В<45 В = Uвх max доп.

15 — 12 = 3 > 2,5 — Uімс min

Iн = 1 / 12 = 0, 083 A ДU = 20 — 12 = 8 В Рімс = 8*0,83 = 0,664 Вт

Рімс < 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

(3. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, комутационные устройства РЭА: Справочник./ Н. Н. Акимов, Е. П. Ващуков, В. А. Прохоренко, Ю. П. Ходоренок. — Мн.:Беларусь, 1994. 591с.)

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. 3.2), також задали потрібні номінали резисторів. Для створення сигналів на вхід операційного підсилювача ми за допомогою генератора 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 3.3)ми побачили що схема працює правильно.

Рисунок 3.2 Схема у Multisim 10

Рисунок 3.3 Покази осцилографа

Висновки

В ході виконання курсової роботи ми навчилися розраховувати підсилювачі на ОП дослідили їхні основні параметри, за якими вони вибираються. Розрахувавши представлені у варіанті дані ми вибрали потрібну мікросхему ОП, побачивши що їй потрібне додаткове живлення ми розробили блок живлення. Побудували структурну і принципову схему даного виробу. Забезпечили певну покращену схему даного приладу поставивши резистор зворотного зв’язку змінним, тим самим забезпечили ручну зміну підсилення вхідного сигналу.

Зробили моделювання приладу і переконалися, 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.

Список використаних джерел

Колонтаєвський Ю.П., Сосков А. Г. Промислова електроніка та мікро схемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб./за ред. А. Г. Соскова. — К.:Каравела, 2004. 432с Бабич М. П., Жуков І.А. Комп’ютерна схемотехніка: Навчальний посібник.- К.:МК-Прес, 2004.-412с Схемотехніка електронних систем. Цифрова схемотехніка. Підручник / В.І. Бойко, А.М. Гуржій, В. Я Жуйкою та ін.-К.:Вища школа, 2004.-423с.

Буняк А.М. Електроніка та мікро схемотехніка. Навчальний посібник.- КиївТернопіль: СМП «Астон», 2001. 382с.

Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, комутационные устройства РЭА: Справочник./ Н. Н. Акимов, Е. П. Ващуков, В. А. Прохоренко, Ю. П. Ходоренок. — Мн.:Беларусь, 1994. 591с.

Стахів П. Г., Коруд В. І., Гамола О. Є. Основи електроніки: функціональні елементи та їх застосування. Підручник для студентів неелектротехнічних спеціальностей вищих навчальних закладів. — Львів: «Новий Світ—2000»; «Магнолія плюс». —2003. —208 с.

Гусев В. Г. Гусев Ю.М. Электроника. — М: Высшая школа, 1991.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2 т. — М.: Мир, 1984.

Скаржепа В.А., Луценко А. Н. Электроника и микросхемотехника. — В 2 т. — К.: Выща школа, 1989.

Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.- М.: Мир, 1993.

Токхейм Р. Основы цифровой электроники.- Мир, 1989.

Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. — Челябинск: Металлургия, 1989.

Янсен Й. Курс цифровой электроники: В 4-х т. М.:Мир, 1987.

Скаржепа В.А., Луценко А. Н. Электроника и микросхемотехника. Электронные устройства информационной автоматики. Под общ. Ред. А. А Краснопрошиной.-К.:ВШ, 1989. 432 с.

Додаток А

Додаток А1

Додаток Б