МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По курсу «Радиоэлектроника и импульсная техника»

На тему:

МИКРОМОЩНЫЙ ПРЕЦИЗИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Выполнила: Календина С.А.

Группа МП-45

Преподаватель: Ильенков В. Г.

Зеленоград, 2001

Техническое задание.

Необходимо спроектировать прецизионный усилитель согласно следующим требованиям:

Коэффициент усиления К = 1000;

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.

Общие сведения об операционных усилителях.

Операционный усилитель (ОУ) предназначен для выполнения математических операций в аналоговых вычислительных машинах. В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наименований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень дешевы, что способствует их массовому распространению.

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.

На рис.1 дано схемное обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа. Выходное напряжение U_вых находится в одной фазе с разностью входных напряжений:

U_вых = U₁ - U₂

Рис. 1. Обозначение ОУ

Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя как с положительными, так и с отрицательными входными сигналами, следует использовать двухполярное питающее напряжение. Для этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, которые, как это показано на рис. 1, подключаются к соответствующим внешним выводам ОУ.

Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется рис. 2.

Рис. 2. Принцип отрицательной обратной связи

Коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью составит: K =1/

Таким образом, из этого соотношения следует, что 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.

Инвертирующее включение.

В данной работе ОУ будут иметь инвертирующее включение. При инвертирующем включении неинвертирующий вход ОУ соединяется с общей шиной (рис. 5).

Рис. 5. Инвертирующее включение ОУ

Таким образом, выходное напряжение усилителя в инвертирующем включении находится в противофазе по отношению ко входному. Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению этой схемы в зависимости от соотношения сопротивлений резисторов может быть как больше, так и меньше единицы.

Типы операционных усилителей

Большая часть номенклатуры ОУ относится к усилителям общего назначения. Это дешевые усилители среднего быстродействия, невысокой точности и малой выходной мощности. Обычные параметры: K_U = 20 000 - 200 000; U_см = 0,1 - 20 мВ; f_т = 0,1 - 10 МГц.

Быстродействующие усилители при средних точностных параметрах имеют высокие динамические характеристики (f_т = 20 - 1000 МГц, Vu= 10 - 1000 В/мкс).

Прецизионные усилители имеют высокий дифференциальный коэффициент усиления по напряжению, малое напряжение смещения нуля и малый входной ток обычно при низком или среднем быстродействии.

Микромощные усилители используются в приборах, получающих питание от гальванических или аккумуляторных батарей. Эти усилители потребляют очень малый ток от источников питания. Все другие параметры (особенно быстродействие) у них обычно невысокие.

Если источник сигнала - однополярный (например, фотодиод), целесообразно использовать операционный усилитель с однополярным питанием. Это позволит питать усилитель от одной батареи или даже элемента, например, от литиевого элемента напряжением 3 вольта.

Многие фирмы выпускают многоканальные усилители. Это микросхемы, имеющие на одном кристалле два, три или четыре однотипных ОУ.

Мощные и высоковольтные операционные усилители. Большинство типов ОУ рассчитаны на напряжение питания +/-15 В. Этого недостаточно для управления, например, пьезоэлектрическими преобразователями, для некоторых физических и биологических исследований. Поэтому промышленность производит высоковольтные ОУ, допускающие более высокие питающее и выходное напряжения. К высоковольтным относят операционные усилители, имеющие разность положительного и отрицательного питающих напряжений свыше 50 вольт.

Операционные усилители общего применения обычно допускают выходной ток до 5 мА. Для управления мощной нагрузкой применяются мощные ОУ. К мощным обычно относят усилители, допускающие выходной ток свыше 500 мА.

Анализ технического задания.

Как можно видеть из требований, данный усилитель является прецизионным (он обеспечивает высокостабильное усиление при низком входном сигнале) . Соответственно резисторы, отвечающие за коэффициент усиления каждого каскада должны быть также прецизионными. Согласно техническому заданию коэффициент усиления данного прибора равен 1000. Так как в ТЗ нет строгого ограничения на входное сопротивление, будем считать его достаточно низким, чтобы включить первый каскад инвертирующим. Удобно также включить и остальные каскады, т. к. в этом случае схема будет состоять из меньшего числа элементов.

Каскады целесообразно включать по схеме инвертирующего усилителя и по следующим причинам:

-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.

Расчёт параметров и выбор 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} = 0.24В;

-скорость нарастания выходного напряжения ОУ:

V_{u вых}  2f_вU_{m вых. max} = 0.013 В/мкс;

-допустимое сопротивление нагрузки R_н>=10кОм;

-величина напряжения источника питания U_п =5В.

-нестабильность коэффициента усиления ОУ К можно определить из сдующей формулы:

_max,

где - температурный дрейф коэффициента, типовое значение которого составляет 1%/С,

Т_{мах -} максимальный интервал температур, составляющий 80 С.

Следовательно:

К = 0.5*1%/С*70С = 40%;

Теперь пользуясь полученными данными, рассчитаем для различных n (число каскадов в ПУ), 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 = 1.2%

n' = 2 = 0.97%

n' = 3 = 0.65%

Получаем, что ПУ может быть реализован и на одном каскаде, но при подсчете частоты единичного усиления мы 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=1 f ₁=43.87 МГц;

n=2 f ₁=1.9 МГц;

n=3 f ₁=0.8 МГц;

Мы видим, что при n=1,2 величина f ₁ велика для серийно выпускаемых микромощных операционных усилителей (а именно их необходимо использовать исходя из ограничения на потребляемую ПУ мощность). Следовательно необходимо выбирать три каскада. Теперь, зная число каскадов, можно рассчитать частоту единичного усиления f₁.

Для трех каскадов рассчитаем ток потребления схемы :

Итак, получены следующие параметры необходимые для выбора подходящего ОУ:

U_п =5В;

U_вых 0.24В;

V_{u вых} 0.013 В/мкс;

R_н=10кОм;

f₁0.8 МГц;

I_пот<=1.66 мА.

Согласно имеющимся справочным данным наиболее подходящий полученным требованиям и требованиям технического задания оказывается усилитель 1401УД2Б.

Приведём ряд данных по этому усилителю.

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. Как упоминалось выше мы будем использовать для всех каскадов инвертирующее включенин.

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя при идеальном ОУ определяется по формуле

;

Удобно выбрать следующие номиналы резисторов:

R₁ = R_{3 =} R₅ = 10кОм; R₂ = R_{4 =} R₆= 100кОм – резисторы в цепи обратной связи всех каскадов. Тогда получаем нужный коэффициент усиления плюс одинаковый набор резисторов и почти одинаковые каскады.