Пример решения задачи 2.2

Разработать схему инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя КР140УД11. Исходные данные к задаче:

- коэффициент усиления K_U,= 20;

- минимальное входное сопротивление U_вх _min=10 мВ.

Необходимо осуществить расчёт и выбор из стандартного ряда сопротивлений усилителя. Определить максимальное входное напряжение синусоидального сигнала U_вх _max, при котором не будет значительных искажений выходного сигнала. Осуществить моделирование работы усилителя в среде Multisim [10,11].

Решение.

R₂

Схема инвертирующего усилителя низкой частоты приведена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Схема инвертирующего усилителя на операционном усилителе

Входной усиливаемый сигнал подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя DA₁ через токоограничивающее сопротивление R ₁. Сопротивление R ₂ образует отрицательную обратную связь усилителя, стабилизируя работу усилителя, одновременно снижая его коэффициент усиления

Сопротивление R ₃соединяет неинвертирующий вход операционного усилителя со средней точкой источника питания (землёй) и служит для выравнивания входных токов.

Параметры операционного усилителя КР140УД11 [8]:

– 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.

Сопротивление R ₁должно удовлетворять условию:

R ₁<< кОм.

Принимаем из стандартного ряда Е24 (приложение А) R ₁= 5,1<< 50 кОм.

Сопротивление обратной связи

R ₂= K_U · R ₁= 20·5,1·10³ = 102 кОм.

Принимаем R ₂=100 кОм.

Находим сопротивление R ₃:

кОм.

Принимаем R ₃=4,7 кОм.

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

В.

Для проверки правильности расчёта осуществим моделирование работы инвертирующего усилителя в среде Multisim.

Модель инвертирующего усилителя на ОУ в среде Multisim приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Модель инвертирующего усилителя на ОУ

В результате моделирования получаем коэффициент усиления:

что близко к заданному коэффициенту усиления K_U =20.

Осциллограммы входного и выходного напряжения усилителя приведены на рисунке 2.4. Между u_вых и u_вх наблюдается фазовых сдвиг 180°С, что соответствует схеме инвертирующего усилителя.

При подаче на вход усилителя синусоидального напряжения, действующее значение которого превышает U_вх _{. мак}=0,42 В, происходит ограничение выходного напряжения u_вых на уровне U_вых _{. мак}=12 В (рисунок 2.5).