МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПРЕЦИЗИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Выполнила: Полковникова Е. В.

Преподаватель: Курмаев О. Ф.

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 = 2000 Нестабильность коэффициента передачи К₀ (U_вых6%) Температурная нестабильность коэффициента передачи К = 1.5 %/C

Минимальная рабочая температура T_min = -15 C

Максимальная рабочая температура T_max = +40 C

Номинальная рабочая температура T_o = +20 C

Нижняя граничная частота f_н=20 Гц

Верхняя граничная частота f_в=1.5 кГц

Нестабильность уровня АЧХ

на нижней и верхней частотах М_н,М_в = 0.1 дБ

Входное сопротивление R_вх = 200 кОм

Сопротивление генератора входного сигнала R_г = 10 кОм

Выходное cопротивление R_вых = 1 Ом

Сопротивление нагрузки R_н = 2 кОм

Напряжение генератора входного сигнала U_г = 5sinωt мВ

Потребляемая мощность (при U_{вх =} 0) P_потр = 360 мВт

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 2000. 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*2000*5*10^-3 = 12 В;

2. Cкорость нарастания выходного напряжения ОУ:

V_{u вых}  2f_вU_{m вых. max} = 2*3.14*10*1.5*10^-6= 0.094 В/мкс;

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

R_{н max}  R_н = 2 кОм;

4. Величина напряжения источника питания U_п  U_вых +2В = 14 В.

Выберем типовое значение источника питания в 15 В.

U_п = 15 В;

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

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

Т_маx = 55 ^оС

К = 0.5*1.5%/С*55С = 41.25%;

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=50000 ):

;

n' = 1 = 4.35 %

n' = 2 = 2.96 %

n' = 3 = 1.98 %

n' = 4 = 1.49 %;

Выбираем соответствующую n' = 2 , 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

.

Ток, потребляемые ОУ I_пот (величина I_пот приводится в паспорте на микросхему) определяется как

Итак, получены следующие параметры необходимые для выбора подходящего ОУ:

U_вых 12 В; V_{u вых} 0.094 В/мкс; R_{н max} 2кОм; f₁0.62 МГц; I_пот4.75 мА

Согласно имеющимся справочным данным наиболее подходящий полученным требованиям и требованиям технического задания оказывается усилитель 140УД6А. Приведём ряд данных по этому усилителю.

Коэффициент усиления К=70 В/мВ ;

Напряжение смещения нуля U_см = 5 мВ;

Входные токи I_вх=30 нА;

Разность входных токов DI_вх = 10 нА;

Частота единичного усиления f₁ = 1 МГц;

Скорость нарастания выходного напряжения V_{u вых} = 2.5 В/мкс;

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_оссф = 80дБ;

Потребляемый ток I_пот = 2.8 мА;

Максимальное выходное напряжение U_{вых.мах} = 12 В;

Схема включения операционного усилителя.

Схема включения операционного усилителя 140УД6А приведена на рис.1.

К₁ = 40; K₂=50. В схеме имеется подстроечный резистор, который в нашем случае необходимо включить в первый каскад для устранения погрешностей.

Выбор резисторов цепи О.О.С.

Теперь необходимо выбрать тип и номиналы резисторов R₁ и R₂ (значение резистора R, будет установлено позже). В силу того, что проектируемое устройство – прецизионный, т.е. высокоточный усилитель, резисторы следует выбирать так же прецизионные, т.е. имеющие малые допуски dR~(0.05¸0.1)%. Наиболее подходящей будет серия С2-29В – это металлодиэлектрические изолированные резисторы предназначенные для навесного монтажа. Для данного в техническом задании температурного диапазона устройство будет иметь допуск dR = 0.05%, минимальная наработка на отказ 25*10³ часов, сопротивление изоляции в нормальных климатических условиях не менее 10¹¹ Ом, уровень собственных шумов достаточно мал и достигает 1мкВ/В.

Для прецизионного усилителя возможны две схемы включения ОУ – неинвертирующая и инвертирующая. При низком значении сопротивления источника входного сигнала во входном каскаде следует использовать инвертирующий усилитель, при высоком неинвертирующий. По техническому заданию сопротивление источника сигнала равно 100 кОм, т.е. достаточно высокое, следовательно будем использовать схему включения неинвертирующего усилителя на первом каскаде. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя при идеальном ОУ определяется по формуле

;

Исходя из этого и учитывая, что коэффициент усиления первого каскада К=40 выбираем следующие номиналы резисторов:

R₁ = 1.5 кОм; R₂ = 78.7 кОм – резисторы в цепи обратной связи первого каскада(R₁ выбирается заниженным, т.к. последовательно с ним включается подстроечный резистор)

R₃ = 2 кОм; R₄ = 100 кОм – резисторы в цепи обратной связи 2 каскада;