Техническое задание

Разработать масштабный измерительный усилитель напряжения с источником питания и с защитой от перенапряжения входного сигнала. Напряжение питания 220 В, 50 Гц. Технические условия приведены ниже. Параметры, значения которых в таблице не указаны, необходимо рассчитать после проектирования.

Заданные параметры
Минимальное входное напряжение, мкВ	150
Максимальное входное напряжение, мВ	20
Входное сопротивление в полосе рабочих частот, Мом	>5
Коэффициент усиления по напряжению (для диапазона минимальных значений)	300
Нижняя граница диапазона частот усилителя, Гц	150
Верхняя граница диапазона частот усилителя, Гц	8000
Погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот на х.х. не более, %	3
Дополнительный фазовый сдвиг в полосе рабочих частот, не более, град	100
Приведённый температурный дрейф нуля, не более, мкВ/град	10
Минимальное сопротивление нагрузки, Ом	200
Рабочий диапазон температур, С0	0-70
Расчётные параметры
Погрешность входного сопротивления, не более, %	3
Коэффициент частотных искажений, не более,	1,01148

Проектирование масштабного измерительного усилителя

Структурная схема

Параметры усилителя даны техническим заданием. Реализуем входную, выходную и промежуточную части, как отдельные усилители. А так как получение требуемых параметров зависит от вида обратной связи, охватывающей ОУ, то целесообразно применять местные обратные связи для каждого ОУ в отдельности.

Предварительная структурная схема всего усилителя будет иметь следующий вид:

1 – линейные сравнивающие (вычитающие) устройства

2 – электронные усилители

3 – обратные связи

4 – разделительные RC цепи, не пропускающие постоянную

составляющую

Согласно техническому заданию U_{вх min} =150 мкВ К_усил =300

U_{вх mаx} =20 мВ R_вх =5 МОм

R_нагр =200 Ом

Расчетная часть

Проектирование входной части

Входную часть усилителя реализуем на неинвертирующей схеме включения операционного усилителя с коэффициентом усиления – 2. Коэффициент усиления равный 2 примем для согласования источника напряжения и входным сопротивлением усилителя.

Для входной части выберем операционный усилитель К140УД25А, имеющий следующие характеристики:

К_уи=10⁶ I_пот=4,7мА

U_см=30мкВ ∆U_см/С°=0,6мкВ/С°

I _вх=40нА ∆I_вх=±35нА

R_вх.диф=6∙10⁶Ом U_пит=15В±10%

Т=-10÷70С⁰

Рассчитаем изменение входного сопротивления в полосе рабочих частот (150÷8000Гц). В области высоких частот значение входного сопротивления может изменять паразитная ёмкость входа. Её значение в техническом условии на ОУ отсутствует. Поэтому при оценке влияния С_вх приходится брать её ориентировочное значение. Примем, что С_вх = 10^-12 Ф. Тогда на частотах f=150Гц и f=8000Гц ёмкостная составляющая входного сопротивления равна:

Расчёт будем производить при входном сопротивлении равном 5 мОм. Находим модуль входного сопротивления на частотах f=150Гц и f=8000Гц:

Изменение входного сопротивления ΔZ в полосе частот 150÷8000Гц определим:

что составляет 3% от заданной величины входного сопротивления.

Частотные погрешности вносятся всеми цепями усилителя. При этом обычно наибольшую часть частотных и нелинейных искажений имеют выходные части, а наименьшую – входные.

Пусть для нашего случая коэффициент частотных искажений усилителя М на нижней границе частот f=150Гц - (w_нижн), а на верхней частоте f=8000Гц - (w_верхн).

Коэффициент частотных искажений усилителя равен произведению коэффициента частотных искажений отдельных частей:

Значение коэффициента усиления ОУ на частоте w_нижн и w_верхн можно определить или с помощью АЧХ ОУ, которая обычно имеется в справочных материалах, или по известной частоте единичного усиления. Частота единичного усиления при U_пит =15В, t=+25⁰c - f₁=25МГц.

С помощью ЛАЧХ находим, что на частоте f=150Гц коэффициент усиления усилителя К_уи(w_Н)≈170∙10³ (110дБ), а на f=8000Гц коэффициент усиления К_уи(w_B)≈3∙10³ (70дБ).

Коэффициент усиления рассчитаем по формуле:

Так как входное сопротивление достаточно большое и резисторы R1 и R2 необходимо брать большими.

Примем R1, R2 равными 2,2 кОм, чтобы при этих параметрах сопротивлений усиление каскада было равно 2.

Для уменьшения сдвига нуля и уравновешивания тока на входе усилителя рассчитаем R3 по формуле:

Коэффициент ОС:

Найдём коэффициенты усиления усилителя на нижней и верхней границах частот усилителя:

Коэффициент частотных искажений М_ВХ :

Температурный дрейф напряжения смещения всей схемы определяется входным каскадом, т.е. ∆U_см/С° = 0,6 мкВ/ С⁰ из технических данных К140УД25А, что удовлетворяет требованию ТЗ.

Фазовый сдвиг входной части в полосе рабочих частот равен 0⁰, т.к. схема включения неинвертирующая и низкий коэффициент усиления.

Для защиты от перенапряжений входного сигнала используем двухдиодную схему, где два идентичных диода включены встречно-параллельно (Д223 U_обр=50В, I_пр=50mА)

[2, стр.184].