МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПРЕЦИЗИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Выполнил: Бородин А.В., ЭКТ – 36

Преподаватель: Ильенков в. Г.

МОСКВА, 2001

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 усиления по напряжению К₀ = 1000;

Нестабильность коэффициента усиления К_0, %  1;

Нижняя граничная частота f_н100 Гц;

Верхняя граничная частота, f_в100 кГц;

Коэффициент частотных искажений М_в  0.3дБ;

Максимальная амплитуда входного сигнала U_m,вх,max = 1мВ;

Сопротивление нагрузки R_н = 2кОм;

Входное сопротивление R_вх0.1 кОм

Диапазон температур T = (-20 50)C;

Анализ технического задания.

Как можно видеть из требований, данный усилитель является прецизионным. Соответственно резисторы, отвечающие за коеффициент 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 1000. 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. Низкое входное сопротивление позволяет включить первый каскад инвертирующим. Удобно также включить и остальные каскады, т. к. в этом случае схема будет состоять из меньшего числа элементов.

Расчёт и выбор операционного усилителя.

Расчёт прецизионного усилителя следует начинать с выбора типа операционного усилителя.

Основные параметры операционного усилителя должны удовлетворять условиям:

• максимальное выходное напряжение операционного усилителя U_вых

U_вых  1.2U_{m вых. max} = 1.2К₀ U_{m вх,max} = 1.2*1000*1мВ = 1.2В;

• скорость нарастания выходного напряжения ОУ:

V_{u вых}  2f_вU_{m вых. max} = 2*3.14*100*10³*1 = 0.628 В/мкс;

• допустимое сопротивление нагрузки

R_{н max}  R_н = 2кОм, R_{н max} приводится в паспорте на микросхему;

• величина напряжения источника питания

U_п  U_вых +2В = 3.2В. Выберем типовое значение источника питания в 15В, так как нет строгогоограничения потребляемой мощности: U_п = 15В;

• нестабильность коэффициента усиления ОУ К можно определить из сдующей формулы

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

интервал температур К = 0.5*1%/С*70С = 35%;

• переведём также коэффициент частотных искажений из дБ в безразмерную величину

М_в(дБ) = 20*lg М_в  М_в  1.035.

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

;

n' = 1 = 0.125%

n' = 2 = 0.472%

n' = 3 = 0.325%

n' = 4 = 0.245%;

Выбираем соответствующую n' = 3, т.к. при меньшем числе каскадов не удаётся подабрать 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

Поскольку требования к потребляемой мощности в техническом задании предъявлены не были, считаем потребляемую мощность равной 1Вт. Тогда

Итак, получены следующие параметры необходимые для выбора подходящего ОУ:

U_вых 1.2В; V_{u вых} 0.628 В/мкс; R_{н max}2кОм; f₁6.58 МГц; I_пот11мА

Согласно имеющимся справочным данным наиболее подходящий полученным требованиям и требованиям технического задания оказывается усилитель 574УД1Б. Приведём ряд данных по этому усилителю.

Коэффициент усиления К=50*10³;

Напряжение смещения нуля U_см = 25мВ;

Дрейф напряжения смещения U_см/Т = 50мкВ/С;

Входные токи I_вх=0.5нА;

Разность входных токов I_вх = 0.2нА;

Дрейф разности входных токов 0.2нА/С;

Частота единичного усиления f₁ = 10МГц;

Скорость нарастания выходного напряжения V_{u вых} = 50В/мксек;

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_оссф = 60дБ;

Входное сопротивление R_вх =10МОм;

Максимальный выходной ток I_{вых. мах} = 10мА;

Минимальное сопротивление нагрузки R_н.min = 2кОм;

Потребляемый ток I_пот = 8 мА;

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

Тип корпуса – Металлостеклянный, Габориты корпуса 4.613.5 мм², Размеры монтажной площадки D=3мм, метод герметизации – сварка, металлизация на монтажной площадке.

Схема включения операционного усилителя.

Схема включения операционного усилителя 574УД1Б приведена на рис.1.

Можно видеть, что в цепь включён корректирующий конденсатор С_к, который равен 5пФ в случае, когда K >6.

= К = 10. В схеме имеется подстроечный резистор, который в нашем случае необходимо включить в последний каскад для устранения погрешностей. В первых двух каскадах его можно не включать. Для первых двух каскадов схема включения будет выглядеть так:

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 проекируемое устройство – прецизионный, т.е. высокоточный усилитель, резисторы следует выбирать так же прецизионные, т.е. имеющие малые допуски R(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 R = 0.05%, минимальная наработка на отказ 25*10³ часов, сопротивление изоляции в нормальных климатических условиях не менее 10¹¹ Ом, уровень собсвенных 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 инвртирующий усилитель, при высоком неинвертирующий. По техническому заданию сопративление источника сигнала не превышает 0.1 кОм, т.е. достаточно низкое, следовательно будем использовать схему включения инвертирующего усилителя на всех каскадах. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя при идеальном ОУ определяется по формуле

;

Каскады целесообразно включать по схеме инвертирующего усилителя по следующим причинам:

• отсутствует погрешность усиления от синфазного сигнала;

• в усилителях переменного тока инвертирующий усилитель содержит меньшее число резисторов и имеет малое значение U_ош.вых. (постоянное напряжение появляющееся на выходе ОУ при отсутствии входного сигнала);

• в промежуточных каскадах не требуется большого входного сопротивления.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя при идеальном ОУ определяется по формуле

;

Исходя из этого и учитывая, что коэффициент усиления каждого каскада К=10 выбираем следующие номиналы резисторов:

R₁ = 10кОм; R₂ = 100кОм – резисторы в цепи обратной связи первого каскада;

R₃, R₅ = 10кОм; R₄, R₆= 100кОм – резисторы в цепи обратной связи 2,3 каскадов;

Данные значения резисторов были выбраны по следующим соображениям: согласно приведенной выше формуле подбираем резисторы, считая, что все каскады состоят из одинаковых элементов.