Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский институт электронной техники

КУРСОВАЯ РАБОТА

По теме:

Прецизионный усилитель

Выполнила: Позднякова Е.

Преподаватель: Бабкин Е.Е.

Москва, 2010



Содержание

Введение

1. Техническое задание

2. Анализ технического задания

3. Расчёт и выбор операционного усилителя

4. Схема включения операционного усилителя

5. Выбор резисторов цепи О.О.С.

6. Расчёт погрешностей коэффициента усиления

7. Расчет конденсаторов

Вывод

Список используемой литературы



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.



1. Техническое задание

Спроектировать прецизионный усилитель на операционных усилителях.

Таблица 1.1

Параметры технического задания

1	Коэффициент передачи		4000
2	Нестабильность коэффициента передачи		0.5
3	Температурная нестабильность коэф. передачи		1,5	%/
4	Минимальная рабочая температура		-10
5	Максимальная рабочая температура		+50
6	Номинальная рабочая температура		+20
7	Нижняя граничная частота		5	Гц
8	Верхняя граничная частота		1	кГц
9	Нестабильность уровня АЧХ на нижней частоте		0.025	дБ
10	Нестабильность уровня АЧХ на верхней частоте		0.025	дБ
11	Сопротивление нагрузки		10	кОм
12	Напряжение генератора входного сигнала		2.5	мВ
13	Потребляемая мощность		3.6	мВт
14	Входное сопротивление		500	кОм

2. 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



3. 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*4000*2.5*10^-3 = 12 В;

2. Cкорость нарастания выходного напряжения ОУ:

V_{u вых} 2f_вU_{m вых. max} = 2*3.14*1000*10= 0.063 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 = 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 = 60 ^оС

К = 0.5*1.5%/С*60С =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=50000 ):

;

n' = 1 = -3.1 %

n' = 2 = 0.25 %

n' = 3 = 0.17 %

n' = 4 = 0.12 %;

Выбираем соответствующую n' = 3, т.к. при меньшем числе каскадов не удаётся подобрать ОУ из-за слишком большого тока потребления. 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 12В; V_{u вых} 0.063 В/мкс; R_{н max} 10кОм; f₁0.36 МГц; I_пот0.1 мА

Согласно имеющимся справочным данным наиболее подходящий полученным требованиям и требованиям технического задания оказывается усилитель К140УД12. Приведём ряд данных по этому усилителю.

Напряжение смещения нуля U_см = 5 мВ;

Входные токи I_вх=50 нА;

Частота единичного усиления f₁ = 1 МГц;

Скорость нарастания выходного напряжения V_{u вых} = 0.8 В/мкс;

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_оссф = 70дБ;

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

Входное сопротивление R_вх = 1 МОм.

Выходное сопротивление R_н = 1 кОм.

Напряжение питанияUп = 2 - 18В

Ток потребления I_пот=0.1 мА

5. Схема включения операционного усилителя.

Схема включения операционного усилителя К140УД12 приведена на рис.1.

Выберем К₁ = 15; К₂ = 16; K₃=16.

Для регулировки смещения нуля следует поставить подстроечные резисторы R4=R8=R12=100кОм.

6. Выбор резисторов цепи О.О.С.

Теперь необходимо выбрать тип и номиналы резисторов R₁ - R₁₂. В силу того, что проектируемое устройство - прецизионный, т.е. высокоточный усилитель, резисторы следует выбирать так же прецизионные, т.е. имеющие малые допуски R(0.050.1)%. 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 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 больше 500 кОм, т.е. достаточно высокое, следовательно будем использовать схему включения неинвертирующего усилителя. Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя при идеальном ОУ определяется по формуле

;

Исходя из этого и учитывая, что коэффициент усиления первого каскада К₁=15, а второго и третьего К₂= К₃=16, выбираем следующие номиналы резисторов:

R₁ = 10кОм; R₂ = 140 кОм - резисторы в цепи обратной связи первого каскада.

R₅ = 10 кОм; R₆ = 149 кОм - резисторы в цепи обратной связи второго каскада.

R₉ = 10 кОм; R₁₀ = 149 кОм - резисторы в цепи обратной связи третьего каскада.

R₃=R₇= R₁₁=499 кОм

7. Расчёт погрешностей коэффициента усиления

Коэффициенты усиления, приведённые выше, соответствуют идеальному усилителю, в реальном же естественно будет сказываться влияние некоторых характеристик, считаемых ранее идеальными. Так при расчёте коэффициентов усиления возникает погрешность _к связанная с отклонением параметров ОУ от идеальных

В итоге:

_k = 0.00045%

Произведём теперь оценку погрешности за счёт конечного значения ослабления синфазного сигнала. Искомая погрешность для инвертирующего усилителя будет определяться по формуле

В усилителе К140УД12 значение К_оссф достаточно высокое (К_оссф = 70дБ) т.е данная погрешность будет низкой

Таким образом, вклад в суммарную погрешность за счёт конечного значения К_оссф будет составлять 0.09.

Кроме погрешностей, обусловленных неидеальностью параметров ОУ возникает погрешность за счёт разброса значений резисторов в цепи О.О.С. Для неинвертирующего усилителя данная погрешность равна

.



Были выбраны прецизионные резисторы, по этой причине данная погрешность достаточно мала:

В процессе эксплуатации коэффициент усиления ПУ может меняться из-за влияния температуры окружающей среды. Температурная нестабильность коэффициента усиления _ТК вызвана в основном изменением коэффициента усиления ОУ и номиналов резисторов R₁ и R₂. _ТК определяется по следующей формуле

где К - относительное изменение коэффициента усиления в заданном диапазоне температур. Исходя из условий технического задания определим _ТК

Такие результаты получаются для всех каскадов. Окончательно для всех каскадов в целом имеем _ТК = 0.067%

Так же следует учесть погрешность, связанную с температурным коэффициентом резисторов. Формула погрешности _ТR одинакова для обеих схем включения и выглядит следующим образом

прецизионный усилитель резистор конденсатор

Теперь после определения всех основных погрешностей влияющих на коэффициент усиления ПУ можно рассчитать их суммарную погрешность. Она будет определяться простой суммой всех вышеперечисленных погрешностей.

= _к + _с + _R + _ТК + _ТR = 0.00045% + 0.09% + 0.3% + 0.067% + 0.84% = 1.3%

8. Расчет конденсаторов

Нижняя граничная частота 5 Гц усилителя определяется конденсаторами , С₃ , С₅.

4,7 мкФ (ряд

Е6)

Конденсаторы С₂, С₄, С₆ определяет верхнюю граничную частоту усилителя.



Вывод

Разработанная схема - прецизионный усилитель на трёх каскадах - полностью удовлетворяет условиям технического задания. Она разработана на прецизионных усилителях; защищена от помех источника питания и источника сигнала.



Список используемой литературы

Под редакцией В.А. Кустова: "Методические указания к курсовому проектированию по радиоэлектронике", М. 1990г.

Под редакцией В.А. Кустова: "Методические указания к практическим занятиям по курсам Радиоэлектроника и Импульсная техника", М. 2004г.

В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев: "Электроника" М. "Высшая школа", 1991г.



Приложение

Перв. примен.	Поз. обозн.	Наименование	Кол.	Примеч.
		Конденсаторы
	С1,С3,С5	К10-17б-МП0-4,7мкФ ±5% ОЖО.460.172ТУ	3
	С2,C4,C6	К31-10-П33-59пФ ±1% ОЖО.460.107ТУ	3
Справ. №№
		Микросхемы
	DA1,DA2, DA3	К140УД12	3
		Резисторы
	R1,R5,R9	C2-29В-0,062-10кОм±0.1%-А-ОЖО 467.099 ТУ	3
	R2	C2-29В-0,062-140кОм±0.1%-А-ОЖО 467.099 ТУ	1
	R3, R7,R11	C2-29В-0,062-499кОм±0.1%-А-ОЖО 467.099 ТУ	3
R4, R8, R12	СП3-19-100кОм ±10% ОЖО 0.468.134 ТУ	3
R6,R10	C2-29В-0,062-149кОм±0.1%-А-ОЖО 467.099 ТУ	2
Подп. и дата
Инв. № дубл.
Взам. инв. №
Инв. №№ подл.	Разраб.	Позднякова Е.			Прецизионный усилитель. Перечень элементов	Лит.	Лист	Листов
	Проверил	Бабкин Е.Е.				1	2 3	1	2
						ЭКТ-36
	Н.контр
	Утв.



Размещено на Allbest.ru