Московский институт электронной техники кафедра радиоэлектроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему:

Прецизионный усилитель Выполнил: Полтарин м.В.

МП-45

Преподаватель: Ильенков В. Г.

2001

Техническое задание.

Необходимо спроектировать прецизионный усилитель согласно следующим требованиям:

Коэффициент усиления К = 10000;

Коэффициент частотных искажений М_в  0.3дБ;

Нижняя граничная частота f_н =100 Гц;

Нестабильность коэффициента усиления К_, % >=2;

Верхняя граничная частота, f_в>=10 кГц;

Максимальная амплитуда входного сигнала U_m,вх,max = 0,2 мВ;

Сопротивление нагрузки R_н = 10кОм;

Потребляемая мощность Р<=50 мВт;

Диапазон температур T = (-20  +60)C;

Напряжение источника питания U=5В;

Элементарная база: операционный 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.

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. Преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

Операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения.

В дальнейшем мы выберем тип и характеристики ООС для данного задания.

Проведем анализ технического задания.

Данный усилитель является прецизионным (обеспечивает высокостабильное усиление при низком входном сигнале). Согласно техническому заданию коэффициент усиления составляет 10000. Так как в ТЗ нет строгого ограничения на входное сопротивление, будем считать его достаточно низким, чтобы включить первый каскад инвертирующим. Удобно таким же образом включить и остальные каскады, т. к. в этом случае схема будет состоять из меньшего числа элементов.

Параметры операционного усилителя должны удовлетворять следующим условиям:

1. Максимальное выходное напряжение операционного усилителя U_вых

U_вых  1.2U_{m вых. max} = 1.2К₀ U_{m вх,max} = 2.4В;

2. Скорость нарастания выходного напряжения ОУ:

V_{u вых}  2f_вU_{m вых. max} = 0.13 В/мкс;

3. Величина напряжения источника питания U_п =5В.

4. Нестабильность коэффициента усиления ОУ К можно определить из сдующей формулы:

_max,

где - температурный дрейф коэффициента,

Т_{мах -} максимальный интервал температур.

Следовательно:

К = 40%;

Теперь пользуясь полученными данными, рассчитаем для различного числа каскадов, величину К_R – относительную погрешность коэффициента усиления ПУ. Для этого воспользуемся формулой (принимая К=50000):

;

n' = 1 = -6%

n' = 2 = 0.92%

n' = 3 = 0.65%

n' = 4 = 0.5%

Отрицательное значение при n=1 значит, что ПУ с заданными характеристиками не может быть реализован и на одном каскаде. Для того чтобы определить количество каскадов рассчитаем частоты единичного усиления. Получим следующие результаты:

-переведем коэффициент частотных искажений из дБ в безразмерную величину исходя из формулы М_в(дБ) = 20*lg М_в  М_в  1.035,

тогда по следующей формуле:

получим, что:

при n=2 f ₁=6.24 МГц;

n=3 f ₁=1.65 МГц;

n=4 f ₁=0.89 МГц;

Мы видим, что при n=2,3 величина f ₁ велика для серийно выпускаемых операционных усилителей, с низким потреблением тока и 5-ти вольтовым питанием. Следовательно необходимо выбирать четыре каскада. Теперь, зная число каскадов, можно рассчитать ток потребления схемы :

Итак, получены следующие параметры необходимые для выбора подходящего ОУ:

U_п =5В;

U_вых 2.4В;

V_{u вых} 0.013 В/мкс;

R_н=10кОм;

f₁0.9 МГц;

I_пот<=1.225 мА.

Согласно имеющимся справочным данным наиболее подходящий полученным требованиям и требованиям технического задания оказывается усилитель 1401УД2Б. Этот усилитель является многоканальным усилителем, т.е. имеет на одном кристалле более одного (а именно четыре) однотипных ОУ, что позволит в нашем случае реализовать ПУ на одной микросхеме.

Приведём ряд данных по этому усилителю (для одного канала).

Питание от 3.0 до 16.5 В.

При U_п=5В имеем следующие характеристики:

-Коэффициент усиления К=50*10³ (минимум);

-Напряжение смещения нуля U_см = 5мВ (типовое);

-Дрейф напряжения смещения U_см/Т = 30мкВ/С;

-Входные токи I_вх=150нА;

-Разность входных токов I_вх = 30нА;

-Частота единичного усиления f₁ = 1МГц ;

-Скорость нарастания выходного напряжения V_{u вых} = 0.5 В/мкс;

-Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_оссф = 70дБ;

-Минимальное сопротивление нагрузки R_н.min = 2кОм;

-Потребляемый ток в рабочем промежутке температур I_пот = (0.63-0.78) мА;

-Максимальное выходное напряжение U_{вых.мах} = 3В;

Схема включения операционного усилителя.

Типовая схема включения операционного усилителя 1401УД2Б (одного канала при двуполярном питании) приведена ниже.

Выбор резисторов цепи О.О.С.

Теперь необходимо выбрать тип и номиналы резисторов R₁ и R₂. В силу того, что проектируемое устройство – прецизионный , т.е. высокоточный усилитель, резисторы следует выбирать так же прецизионные, т.е. имеющие малые допуски R(0.050.1)%. Необходимыми параметрами обладают резисторы группы Р1-37-0803. Параметры: пределы номиналов от 1 Ом до 1Мом, номинальная мощность 0.25 Вт, допуск отклонения от номинала 0.05%, ТКС изменяется от 510^-6 до 2510^-6 1/С в зависимости от рабочей температуры ( при температуре от 20 до 70 градусов он равен 510^-6 1/С, при температуре от -60 до 20 он равен до 2510^-6 1/С).

Для прецизионного усилителя возможны две схемы включения ОУ – неинвертирующая и инвертирующая. Для всех каскадов будем использовать (объяснение приведено выше) инвертирующее включение. При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной.