Московский институт электронной техники

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПРЕЦИЗИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Выполнил:

Преподаватель: Ильенков В. Г.

МОСКВА, 2002

Прецизионный усилитель.

Введение.

Прецизионные усилители характеризуются стабильным коэффициентом усиления в заданном диапазоне рабочих частот и температур. Они широко используются в системах сбора данных, в устройствах выборки и хранения сигнала, телеметрических системах и измерительной технике. Основным звеном прецизионного усилителя является операционный усилитель. Операционным усилителем называется усилитель, предназначенный для выполнения математических операций при использовании его в схеме с обратной связью. Однако область применения ОУ, выполненного в виде микросхемы значительно шире. Поэтому в настоящее время под ОУ принято понимать микросхему – усилитель тока, позволяющий строить узлы аппаратуры, функции и технические характеристики которых зависят только от свойств цепи обратной связи, в которую он включён.

Техническое задание.

Необходимо спроектировать усилитель согласно следующим требованиям:

Коэффициент передачи К₀ = 10⁵

Нестабильность коэффициента передачи К₀=3% Минимальная рабочая температура T_min = -30 C

Максимальная рабочая температура T_max = +60 C

Нижняя граничная частота f_н=20 Гц

Верхняя граничная частота f_в=30 кГц

Коэфициент частотных искажений М_в = 0.5 дБ

Входное сопротивление R_вх = 200 кОм

Сопротивление нагрузки R_н = 10 кОм

Напряжение генератора входного сигнала U_г = 0.02 мВ

Анализ технического задания.

Как можно видеть из требований, данный усилитель является прецизионным. Соответственно резисторы, отвечающие за коэффициент усиления каждого каскада должны быть также прецизионными. Конденсаторы, используемые в качестве фильтров, могут иметь достаточно большую погрешность. Согласно техническому заданию коэффициент усиления данного прибора равен 10⁵. Исходя из этого, рационально было бы из возможных вариантов выбрать схему на трех каскадах, т. к. в данном случае номиналы элементов будут иметь стандартные значения. Высокое входное сопротивление позволяет включить первый каскад неинвертирующим.

Расчёт и выбор операционного усилителя.

Расчёт прецизионного усилителя следует начинать с выбора типа операционного усилителя. Основные параметры операционного усилителя должны удовлетворять условиям:

1. максимальное выходное напряжение ОУ U_{вых :}

U_вых  1.2U_{m вых. max} = 1.2К₀ U_{m вх,max} = 1.2*10⁵*0.02*10^-3 = 2.4 В;

2. Cкорость нарастания выходного напряжения ОУ:

V_{u вых}  2f_вU_{m вых. max} = 2*3.14*2*30*10^-3= 0.377 В/мкс;

3. Допустимое сопротивление нагрузки ОУ(приводится в паспорте на микросхему)

R_{н max}  R_н = 10 кОм;

4. Величина напряжения источника питания U_п  U_вых +2В = 4.4 В.

Выберем типовое значение источника питания в 5 В.

U_п = 5 В;

5. Нестабильность коэффициента усиления ОУ К можно определить из следующей формулы

_max, где - температурный дрейф коэффициента усиления равный (0.51.5) %/С, Т_{мах -} максимальный интервал температур

Т_маx = 90 ^оС

К = 0.5*1 %/С*90С = 45 %;

Теперь пользуясь полученными данными, рассчитаем для различных n' (число каскадов в ПУ), начиная с единицы, величину К_R – относительную погрешность коэффициента усиления ПУ, обусловленную неточностью резисторов в цепи ООС и их нестабильностью. Для этого воспользуемся формулой (принимая К=104000 ):

;

n' = 1 = -88 %

n' = 2 = 0.72 %

n' = 3 = 0.62 %

n' = 4 = 0.48 %;

Выбираем соответствующую n' = 3 , т.к. при меньшем числе каскадов не удаётся подобрать ОУ из-за слишком большой частоты единичного усиления. Делать данный усилитель на трех, а не на двух каскадах удобнее, так как значения элементов схемы будут иметь стандартные значения. Теперь, зная число каскадов, можно рассчитать частоту единичного усиления f₁. Рассчитывается она по формуле

.

Итак, получены следующие параметры необходимые для выбора подходящего ОУ:

U_вых 2.4 В; V_{u вых} 0.377 В/мкс; R_{н max} 10кОм; f₁7.05 МГц;

Согласно имеющимся справочным данным наиболее подходящий полученным требованиям и требованиям технического задания оказывается усилитель 154УД4А. Приведём ряд данных по этому усилителю.

Коэффициент усиления К=104 В/мВ ;

Напряжение смещения нуля U_см = 5 мВ;

Входные токи I_вх=1200 нА;

Разность входных токов DI_вх = 300 нА;

Частота единичного усиления f₁ = 30 МГц;

Скорость нарастания выходного напряжения V_{u вых} = 400 В/мкс;

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_оссф = 70дБ;

Потребляемый ток I_пот = 7 мА;

Максимальное выходное напряжение U_{вых.мах} = 10 В;

Схема включения операционного усилителя.

Схема включения операционного усилителя 154УД4А приведена на рисунке:

Выберем коэфициэнты усиления каждого каскада: K₁=40, K₂=50, K₃=50.