СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Выбор и обоснование направления проектирования 8
2 РАСЧЕТ НА СТРУКТУРНОМ УРОВНЕ 9
3 ВЫБОР И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ 11
3.1 Дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 11
3.2 Компаратор 13
3.3 Регистр 16
4 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 17
5 АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 19
Дифференциальый усилитель 19
Компаратор 19
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 20
ВВЕДЕНИЕ
Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из наиболее часто применяемых изделий микроэлектроники.
На рисунке 1 символически представлен ДУ, который имеет два входа и обычно два выхода.
Рисунок 1 – Структурная схема ДУ
Основная задача ДУ – получить на выходе напряжение, пропорциональное лишь разности потенциалов на входах ДУ и не зависящее от их абсолютного значения, от изменения напряжения питания, температуры окружающей среды и других факторов, т.е.:
Uвых = (Uвх1 – Uвх2)KуU, (1)
где KуU – коэффициент усиления ДУ.
Коэффициент усиления напряжения – основной параметр ДУ. В зависимости от способа подключения нагрузки различают плечевой и дифференциальный коэффициенты усиления напряжения. Если нагрузка подключается к одному из выходов схемы и корпусу (несимметричное подключение нагрузки), то реализуется плечевой коэффициент усиления напряжения:
KуU1 = ∆Uвых1/(Uвх1-Uвх2). (2)
При подключении нагрузки между выходами (симметричное подключение нагрузки) реализуется дифференциальный коэффициент усиления напряжения:
KуU = KуU1+ KуU2 = ( ∆Uвых1+∆Uвых2)/(Uвх1-Uвх2). (3)
Простейшая принципиальная схема ДУ приведена на рисунке 2 [7].
Р
исунок
2 – Простейшая принципиальная схема ДУ
Дифференциальный усилитель применяется везде, где необходимо усилить разность двух сигналов. Например, при создании измерительных усилителей или для работы с различными датчиками, когда необходимо прецизионное усиление с высокой точностью передачи сигнала, высоким входным сопротивлением, низким значением напряжения смещения и высокой степенью подавления синфазного сигнала.
В данной работе приводится реализация функций дифференциального (разностного) усилителя на операционном усилителе. Приводятся функциональная и принципиальная схемы требуемого усилителя, описываются его основные характеристики, принцип работы, расчёты схемы.
1 Выбор и обоснование направления проектирования
Опираясь на техническое задание был произведен аналитический обзор рекомендуемой литературы и дополнительных источников информации, исходя из которых было выбрано направление проектирования.
Прототип схемы дифференциального усилителя был взят из [1] или [3], так как там предложена наиболее простая схема дифференциального усилителя с регулируемым коэффициентом усиления с помощью одного переменного резистора без перемены знака.
Операционный усилитель (ОУ) выбирался из следующих соображений:
максимальное выходное напряжение не менее 20 В
входной дифференциальный сигнал 0,1 – 1 В
время нарастания выходного напряжения не более 100 мкс
Из теории усилительных устройств известно, что время нарастания и полоса частот максимальной мощности fmaxсвязаны следующим соотношением [5], [11]:
fmax= 0,35/tнар, (4)
откуда fmax= 3500 Гц приtнар= 100 мкс по заданию.
Скорость нарастания выходного напряжения связана с максимальным выходным напряжением ОУ следующим выражением [7], показывающим полосу частот, в которой выходное напряжение ОУ может быть равно максимальному значению (полоса максимальной мощности):
V= 2πfmaxUвыхmax, (5)
откуда V= 0,44 В/мкс приUвыхmax= 20 В.
Выбор остановился на ОУ 1408УД1, так как он имеет максимальное выходное напряжение +-21 В, скорость нарастания 2 В/мкс.
Компаратор выбирался с высоким входным дифференциальным напряжением. Из рассмотренных был выбран К544СА3, который удовлетворет этому критерию. К тому же он имеет открытый коллектор и эммитер, что позволяет создать на его выходе требуемый уровень выходного сигнала.