Проектирование активного фильтра верхних частот первого порядка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ существующих вариантов схемотехнического решения заданного устройства

1.1 Основные параметры и характеристики ОУ

1.2 Инвертирующий усилитель

1.3 Не инвертирующий усилитель

1.4 Разновидности УУ на ОУ

1.5 Коррекция частотных характеристик

2. Расчетная часть

3. Схема пристрою, реализованная в САПР

3.1 Построение схемы

4. Результаты симуляции работы схем

4.1 Моделирование схемы

4.2 Анализ полученных результатов

5. Результаты оптимизации работы схемы

5.1 Оптимизация схемы с помощью PARAMETERS

5.2 Оптимизация схемы с помощью PSpice Optimizer

6. Печатная плата

6.1 Проектирование топологии печатной платы с помощью Layout

Выводы

Список ссылок

Введение

устройство усилитель частотный схема

В настоящее время компьютерные и информационные технологии используются во всех сферах жизни человека. К примеру, создание сложных электрических схем и устройств требует предварительного моделирования этих схем и устройств. Моделирование работы прибора на компьютере дает возможность экономить на материалах, содержании лабораторий и на рабочей силе.

Пакет прикладных программ OrCad 9.2 позволяет не только моделировать электрические схемы, но и производить оптимизацию, трассировать печатные платы, создавать полный набор технической документации по устройству или блоку. Возможность создания полной технической документации в одном пакете прикладных программ позволяет значительно упростить и ускорить разработку.

1. Анализ существующих вариантов схемотехнического решения заданного устройства

Операционным усилителем (ОУ) принято называть интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и двухтактным выходом, предназначенный для работы с цепями обратных связей. Название усилителя обусловлено первоначальной областью его применения -- выполнением различных операций над аналоговыми сигналами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В настоящее время ОУ выполняют роль многофункциональных узлов при реализации разнообразных устройств электроники различного назначения. Они применяются для усиления, ограничения, перемножения, частотной фильтрации, генерации, стабилизации и т.д. сигналов в устройствах непрерывного и импульсного действия.

Необходимо отметить, что современные монолитные ОУ по своим размерам и цене незначительно отличаются от отдельных дискретных элементов, например, транзисторов. Поэтому выполнение различных устройств на ОУ часто осуществляется значительно проще, чем на дискретных элементах или на усилительных ИМС.

Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (K_{и ОУ}=?), бесконечно большое входное сопротивление, бесконечно малое выходное сопротивление, бесконечно большой КОСС и бесконечно широкую полосу рабочих частот. Естественно, что на практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться в достаточной для многих областей мере.

На рисунке 1.1 приведено два варианта условных обозначений ОУ -- упрощенный (а) и с дополнительными выводами для подключения цепей питания и цепей частотной коррекции (б).

На основе требований к характеристикам идеального ОУ можно синтезировать его внутреннюю структуру, представленную на рисунке 1.1



Рисунок 1.1 - Структурная схема ОУ

Упрощенная электрическая схема простого ОУ, реализующая структурную схему рисунка 1.1, показана на рисунке 1.2

Рисунок 1.2 - Схема простого ОУ

Данная схема содержит входной ДУ (VT₁ и VT₂) с токовым зеркалом (VT₃ и VT₄), промежуточные каскады с ОК (VT₅) и с ОЭ (VT₆), и выходной токовый бустер на транзисторах VT₇ и VT₈. ОУ может содержать цепи частотной коррекции (C_кор), цепи питания и термостабилизации (VD₁, VD₂ и др.), ИСТ и т.д. Двухполярное питание позволяет осуществить гальваническую связь между каскадами ОУ и нулевые потенциалы на его входах и выходе в отсутствии сигнала. С целью получения высокого входного сопротивления входной ДУ может быть выполнен на ПТ. Следует отметить большое разнообразие схемных решений ОУ, однако основные принципы их построения достаточно полно иллюстрирует рисунок 1.2

1.1 Основные параметры и характеристики ОУ

Основным параметром ОУ коэффициент усиления по напряжению без обратной связи K_{u ОУ}, называемый также полным коэффициентом усиления по напряжению. В области НЧ и СЧ он иногда обозначается K_{u ОУ0} и может достигать нескольких десятков и сотен тысяч.

Важными параметрами ОУ являются его точностные параметры, определяемые входным дифференциальным каскадом. Поскольку точностные параметры ДУ были рассмотрены в подразделе 5.5, то здесь ограничимся их перечислением:

- напряжение смещения нуля U_см;

- температурная чувствительность напряжения смещения нуля dU_см/dT;

- ток смещения ДI_вх;

- средний входной ток I_{вх ср}.

Входные и выходные цепи ОУ представляются входным R_вхОУ и выходным R_выхОУ сопротивлениями, приводимыми для ОУ без цепей ООС. Для выходной цепи даются также такие параметры, как максимальный выходной ток I_выхОУ и минимальное сопротивление нагрузки R_{н min}, а иногда и максимальная емкость нагрузки. Входная цепь ОУ может включать емкость между входами и общей шиной. Упрощенные эквивалентные схемы входной и выходной цепи ОУ представлены на рисунке 1.3

Рисунок 1.3 - Простая линейная макромодель ОУ

Среди параметров ОУ следует отметить КОСС и коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания КОВНП=20lg·(ДE/ДU_вх). Оба этих параметра в современных ОУ имеют свои значения в пределах (60…120)дБ.

К энергетическим параметрам ОУ относятся напряжение источников питания ±E, ток потребления (покоя) I_П и потребляемая мощность. Как правило, I_П составляет десятые доли -- десятки миллиампер, а потребляемая мощность, однозначно определяемая I_П, единицы -- десятки милливатт.

К максимально допустимым параметрам ОУ относятся:

- максимально возможное (неискаженное) выходное напряжение сигнала U_{вых max} (обычно чуть меньше Е);

- максимально допустимая мощность рассеивания;

- рабочий диапазон температур;

- максимальное напряжение питания;

- максимальное входное дифференциальное напряжение и др.

К частотным параметрам относится абсолютная граничная частота или частота единичного усиления f_T (F₁), т.е. частота, на которой K_{u ОУ}=1. Иногда используется понятие скорости нарастания и времени установления выходного напряжения, определяемые по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на его входе. Для некоторых ОУ приводятся также дополнительные параметры, отражающие специфическую область их применения.

Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ представлены на рисунке 6.5 в виде двух зависимостей U_вых=f(U_вх) для инвертирующего и неинвертирующего входов.

Когда на обоих входах ОУ U_вх=0, то на выходе будет присутствовать напряжение ошибки U_ош, определяемое точностными параметрами ОУ (на рисунке 6.5 U_ош не показано ввиду его малости).



Рисунок 1.4 - АХ ОУ

Частотные свойства ОУ представляются его АЧХ, выполненной в логарифмическом масштабе, K_{u ОУ}=ц(lg f). Такая АЧХ называется логарифмической (ЛАЧХ), ее типовой вид приведен на рисунке 6.6 (для ОУ К140УД10).

Рисунок 1.5 - ЛАЧХ и ЛФЧХ ОУ К140УД10

1.2 Инвертирующий усилитель

Наиболее часто ОУ используется в инвертирующих и неинвертирующих усилителях. Упрощенная принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.7.



Рисунок 1.6 - Инвертирующий усилитель на ОУ

Резистор R₁ представляет собой внутреннее сопротивление источника сигнала E_г, посредством R_ос ОУ охвачен ?ООСН.

При идеальном ОУ разность напряжений на входных зажимах стремиться к нулю, а поскольку неинвертирующий вход соединен с общей шиной через резистор R₂, то потенциал в точке a тоже должен быть нулевым ("виртуальный нуль", "кажущаяся земля"). В результате можем записать: I_г=I_ос, т.е. E_г/R₁=-U_вых/R_ос. Отсюда получаем:

K_{U инв} = U_вых/E_г = -R_ос/ R₁,

т.е. при идеальном ОУ K_{U инв} определяется отношением величин внешних резисторов и не зависит от самого ОУ.

Для реального ОУ необходимо учитывать его входной ток I_вх, т.е. I_г=I_ос+I_вх или (E_г-U_вх)/R₁=(U_вх-U_вых)/R_ос+U_вх/U_вхОУ, где U_вх -- напряжение сигнала на инвертирующем входе ОУ, т.е. в точке a. Тогда для реального ОУ получаем:

Нетрудно показать, что при глубине ООС более 10, т.е. K_{u ОУ}/K_{U инв}=F>10, погрешность расчета K_{U инв} для случая идеального ОУ не превышает 10%, что вполне достаточно для большинства практических случаев.

Номиналы резисторов в устройствах на ОУ не должны превышать единиц мегом, в противном случае возможна нестабильная работа усилителя из-за токов утечки, входных токов ОУ и т.п. Если в результате расчета величина R_ос превысит предельное рекомендуемое значение, то целесообразно использовать Т-образную цепочку ООС, которая при умеренных номиналах резисторов позволяет выполнить функцию эквивалента высокоомного R_ос (рисунок 6.7б) . В этом случае можно записать:

На практике часто полагают, что R_ос1=R_ос2>>R_ос3, а величина R₁ обычно задана, поэтому R_ос3 определяется достаточно просто.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ R_{вх инв} имеет относительно небольшое значение, определяемое параллельной ООС:

R_{вх инв} = R₁ +(R_ос/K_{u ОУ} + 1)?R_вхОУ ? R₁,

т.е. при больших K_{u ОУ} входное сопротивление определяется величиной R₁.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя R_{вых инв} в реальном ОУ отлично от нуля и определяется как величиной R_{вых ОУ}, так и глубиной ООС F. При F>10 можно записать:

R_{вых инв} = R_{вых ОУ}/F = R_{вых ОУ}/K_{U инв}/K_{u ОУ}.

С помощью ЛАЧХ ОУ можно представить частотный диапазон инвертирующего усилителя (см. рисунок 6.6), причем

f_вОС = f_T/K_{U инв}.

В пределе можно получить K_{U инв}=1, т.е. получить инвертирующий повторитель. В этом случае получаем минимальное выходное сопротивление усилителя на ОУ:

R_{вых пов} = R_{вых ОУ}/K_{u ОУ}.

В усилителе на реальном ОУ на выходе усилителя при U_вх=0 всегда будет присутствовать напряжение ошибки U_ош, порождаемое U_см и ДI_вх. С целью снижения U_ош стремятся выровнять эквиваленты резисторов, подключенных к входам ОУ, т.е. взять R₂=R₁?R_ос. При выполнении этого условия для K_{U инв}>10 можно записать:

U_ош ? U_смK_{U инв} + ДI_вхR_ос.

Уменьшение U_ош возможно путем подачи дополнительного смещения на неинвертирующий вход (с помощью дополнительного делителя) и уменьшения номиналов применяемых резисторов.

На основе рассмотренного инвертирующего УПТ возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений M_н (см. подраздел 2.5).

1.3 Неинвертирующий усилитель

Упрощенная принципиальная схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 6.8.

Рисунок 1.7 - Неинвертирующий усилитель на ОУ

Нетрудно показать, что в неинвертирующем усилителе ОУ охвачен ПООСН. Поскольку U_вх и U_ос подаются на разные входы, то для идеального ОУ можно записать:

U_вх = U_выхR₁/(R₁ + R_ос),

откуда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:

K_{U неинв} = 1 + R_ос/R₁,

Или

K_{U неинв} = 1 + |K_{U инв}|.

Для неинвертирующего усилителя на реальном ОУ полученные выражения справедливы при глубине ООС F>10.

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя R_{вх неинв} велико и определяется глубокой последовательной ООС и высоким значением R_вхОУ:

R_{вх неинв} = R_вхОУ·F = R_вхОУ·K_{U ОУ}/K_{U неинв}.

Выходное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ определяется как для инвертирующего, т.к. в обоих случаях действует ООС по напряжению:

R_{вых неинв} = R_выхОУ/F = R_выхОУ/K_{U неинв}/K_{U ОУ}.

Расширение полосы рабочих частот в неинвертирующем усилителе достигается также, как и в инвертирующем, т.е.

f_вОС = f_T/K_{U неинв}.

Для снижения токовой ошибки в неинвертирующем усилителе, аналогично инвертирующему, следует выполнить условие:

R_г = R₁?R_ос.

Неинвертирующий усилитель часто используют при больших R_г (что возможно за счет большого R_{вх неинв}), поэтому выполнение этого условия не всегда возможно из-за ограничения на величину номиналов резисторов.

Наличие на инвертирующем входе синфазного сигнала (передаваемого по цепи: неинвертирующий вход ОУ ? выход ОУ ? R_ос ? инвертирующий вход ОУ) приводит к увеличению U_ош, что является недостатком рассматриваемого усилителя.

При увеличении глубины ООС возможно достижение K_{U неинв}=1, т.е. получение неинвертирующего повторителя, схема которого приведена на рисунке 6.9.

Рисунок 1.8 - Неинвертирующий повторитель на ОУ

Здесь достигнута 100% ПООСН, поэтому данный повторитель имеет максимально большое входное и минимальное выходное сопротивления и используется, как и любой повторитель, в качестве согласующего каскада. Для неинвертирующего повторителя можно записать:

U_ош ? U_см + I_{вх ср}R_г ? I_{вх ср}R_г,

т.е. напряжение ошибки может достигать довольно большой величины.

На основе рассмотренного неинвертирующего УПТ также возможно создание усилителя переменного тока путем включения на вход и выход разделительных конденсаторов, номиналы которых определяются исходя из заданного коэффициента частотных искажений M_н (см. подраздел 2.5).

Помимо инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ выполняются различные варианты УУ, некоторые из них будут рассмотрены ниже.

1.4 Разновидности УУ на ОУ

На основе ОУ может быть выполнен разностный (дифференциальный) усилитель, схема которого приведена на рисунке 1.9

Рисунок 1.9 Разностный усилитель на ОУ

Разностный усилитель на ОУ можно рассматривать как совокупность инвертирующего и неинвертирующего вариантов усилителя. Для U_вых разностного усилителя можно записать:

U_вых = K_{U инв}U_вх1 + K_{U неинв}U_вх2R₃/(R₂ + R₃).

Как правило, R₁=R₂ и R₃=R_ос, следовательно, R₃/R₂=R_ос/R₁=m. Раскрыв значения коэффициентов усиления, получим:

U_вых = m(U_вх2 - U_вх1),

Для частного случая при R₂=R₃ получим:

U_вых = U_вх2 - U_вх1.

Последнее выражение четко разъясняет происхождение названия и назначение рассматриваемого усилителя.

В разностном усилителе на ОУ при одинаковой полярности входных напряжений имеет место синфазный сигнал, который увеличивает ошибку усилителя. Поэтому в разностном усилителе желательно использовать ОУ с большим КОСС. К недостаткам рассмотренного разностного усилителя можно отнести разную величину входных сопротивлений и трудность в регулировании коэффициента усиления. Эти трудности устраняются в устройствах на нескольких ОУ, например, в разностном усилителе на двух повторителях (рисунок 1.10).

Рисунок 1.10 - Разностный усилитель на повторителях

Данная схема симметрична и характеризуется одинаковыми входными сопротивлениями и малым напряжением ошибки, но работает только на симметричную нагрузку.

На основе ОУ может быть выполнен логарифмический усилитель.

P-n переход диода VD смещен в прямом направлении. Полагая ОУ идеальным, можно приравнять токи I₁ и I₂. Используя выражение для ВАХ p-n перехода {I=I₀·[exp(U/ц_T)-1]}, нетрудно записать:

U_вх/R = I₀·[exp(U/ц_T) - 1],

откуда после преобразований получим:

U_вых = ц_T·ln(U_вх/I₀R) = ц_T(lnU_вх - lnI₀R),

из чего следует, что выходное напряжение пропорционально логарифму входного, а член lnI₀R представляет собой ошибку логарифмирования. Следует заметить, что в данном выражении используются напряжения, нормированные относительно одного вольта.

При замене местами диода VD и резистора R получается антилогарифмический усилитель.

Широкое распространение получили инвертирующие и неинвертирующие сумматоры на ОУ, называемые еще суммирующими усилителями или аналоговыми сумматорами. На рисунке 6.13 приведена принципиальная схема инвертирующего сумматора с тремя входами. Это устройство является разновидностью инвертирующего усилителя, многие свойства которого проявляются и в инвертирующем сумматоре.

Рисунок 6.11 - Инвертирующий сумматор на ОУ

При использовании идеального ОУ можно считать, что входных токов усилителя, вызванных входными напряжениями U_вх1, U_вх2 и U_вх3, равна току, протекающему по R_ос, т.е.

U_вх1/R₁ + U_вх2/R₂ + U_вх3/R₃ = -U_вых/R_ос,

Откуда

Из полученного выражения следует, что выходное напряжение устройства представляет собой сумму входных напряжений, умноженную на коэффициент усиления K_{U инв}. При R_ос=R₁=R₂=R₃ K_{U инв}=1 и U_вых=U_вх1+U_вх2+U_вх3.

При выполнении условия R₄=R_ос?R₁?R₂?R₃ токовая ошибка мала, и ее можно рассчитать по формуле U_ош=U_см(K_{U ош}+1), где K_{U ош}=R_ос/(R₁?R₂?R₃) -- коэффициент усиления сигнала ошибки, который имеет большее значение, чем K_{U инв}.

Неинвертирующий сумматор реализуется также как и инвертирующий сумматор, но для него следует использовать неинвертирующий вход ОУ по аналогии с неинвертирующим усилителем.

При замене резистора R_ос конденсатором C получаем устройство, называемое аналоговым интегратором или просто интегратором.

Рисунок 1.12 - Аналоговый интегратор на ОУ

При идеальном ОУ можно приравнять токи I₁ и I₂, откуда следует:

Или

Точность интегрирования тем выше, тем больше K_{u ОУ}.

Кроме рассмотренных УУ, ОУ находят применение в целом ряде устройств непрерывного действия, которые будут рассмотрены ниже.

1.5 Коррекция частотных характеристик

Под коррекцией частотных характеристик будем понимать изменение ЛАЧХ и ЛФЧХ для получения от устройств на ОУ необходимых свойств и, прежде всего, обеспечение устойчивой работы. ОУ обычно используется с цепями ООС, однако при некоторых условиях, из-за дополнительных фазовых сдвигов частотных составляющих сигнала, ООС может превратится в ПОС и усилитель потеряет устойчивость. Поскольку ООС очень глубокая (вK_U>>1), то особенно важно обеспечить фазовый сдвиг между входным и выходным сигналом, гарантирующий отсутствие возбуждения.

Ранее на рисунке 6.6 были приведены ЛАЧХ и ЛФЧХ для скорректированного ОУ, по форме эквивалентные ЛАЧХ и ЛФЧХ одиночного усилительного каскада, из которых видно, что максимальный фазовый сдвиг ц<90° при K_{u ОУ}>1, а скорость спада коэффициента усиления в области ВЧ составляет 20дБ/дек. Такой усилитель устойчив при любой глубине ООС.

Если ОУ состоит из нескольких каскадов (например, трех), каждый из которых имеет скорость спада 20дБ/дек и не содержит цепей коррекции, то его ЛАЧХ и ЛФЧХ имеют более сложную форму (рисунок 6.15) и содержит область неустойчивых колебаний.



Рисунок 1.13 - ЛАЧХ и ЛФЧХ нескорректированного ОУ

Для обеспечения устойчивой работы устройств на ОУ используются внутренние и внешние цепи коррекции, с помощью которых добиваются общего фазового сдвига при разомкнутой цепи ООС менее 135° на максимальной рабочей частоте. При этом автоматически получается, что спад K_{u ОУ} составляет порядка 20дБ/дек.

В качестве критерия устойчивости устройств на ОУ удобно использовать критерий Боде, формулируемый следующим образом: "Усилитель с цепью обратной связи устойчив, если прямая его коэффициента усиления в децибелах пересекает ЛАЧХ на участке со спадом 20дБ/дек". Таким образом, можно заключить, что цепи частотной коррекции в ОУ должны обеспечивать скорость спада K_{U инв}(K_{U неинв}) на ВЧ порядка 20дБ/дек.

Цепи частотной коррекции могут быть как встроенные в полупроводниковый кристалл, так и созданными внешними элементами. Простейшая цепь частотной коррекции осуществляется с помощью подключения к выходу ОУ конденсатора C_кор достаточно большого номинала. Необходимо, чтобы постоянная времени ф_кор=R_выхC_кор была больше, чем 1/2рf_в. При этом сигналы высоких частот на выходе ОУ будут шунтироваться C_кор и полоса рабочих частот сузится, большей часть весьма значительно, что является существенным недостатком данного вида коррекции.



Рисунок 6.16. Частотная коррекция внешним конденсатором

Спад K_{u ОУ} здесь не будет превышать 20дБ/дек, а сам ОУ будет устойчив при введении ООС, поскольку ц никогда не превысит 135°.

Более совершенны корректирующие цепи интегрирующего (запаздывающая коррекция) и дифференцирующего (опережающая коррекция) типов. В общем виде коррекция интегрирующего типа проявляется аналогично действию корректирующей (нагрузочной) емкости.

Рисунок 6.17. Частотная коррекция интегрирующего типа

Резистор R₁ является входным сопротивлением каскада ОУ, а сама цепь коррекции содержит R_кор и C_кор. Постоянная времени этой цепи должна быть больше постоянной времени любого из каскадов ОУ. Поскольку цепь коррекции является простейшей однозвенной RC цепью, то наклон ее ЛАЧХ равен 20дБ/дек, что и гарантирует устойчивую работу усилителя. И в этом случае цепь коррекции сужает полосу рабочих частот усилителя, однако широкая полоса все равно ничего не дает, если усилитель неустойчив.

2. Расчетная часть

Таблица 1.1 - Данные для расчета для варианта №1

№	Схема рис.	RG1, кОм	RG2, кОм	КU1	КU2	Тmax,°С	D, дБ	Fн, Гц	Мн
1	3,а	5	15	5	15	30	24	-	-

Расчет сопротивление резистора R₁

R₁=(510)R_G1 = 5*15000 = 45000 Ом = 45 кОМ (2.1)

и округляем до стандартного значения R₁ = 50 кОм

Расчет сопротивления резистора R₂:

= 50 кОм* (5/15) = 16,67 кОм (2.2)

и округляем до стандартного значения R₂ = 20 кОм

Расчет резистора цепи обратной отрицательной связи R₃:

R₃ = (K_{U 1}-1) R₁ = (5-1)*50кОм = 200 кОм (2.3)

выбираем R₃ =200 кОм

Расчет сопротивления резистора R₃:

= (50 кОм *20 кОм)/(50 кОм + 20 кОм) = 14,2 кОм (2.4)

выбираем R₃ = 15 кОм

Расчет сопротивления резистора цепи обратной связи R₄

R₄ = K_{U 1} R₁ = 5 кОм*50 кОм= 250 кОм (2.5)

Выбор ОУ производится с учетом условий:

,

где - входное, выходное сопротивление и максимальное суммарное, приведенное ко входу, смещение ОУ; - допустимое, приведенное ко входу, смещение в схеме сумматора. Для сумматора рассчитывается по эквивалентному коэффициенту усиления

= 5+15 = 20 (2.6)

и заданному динамическому диапазону D :

1. допустимое смещение на выходе сумматора; - максимальное выходное напряжение ОУ.

= 11*10^-2,4 = 0,043 В (2.7)

= 0,043/20 = 0,0021 В (2.8)

- максимальное выходное напряжение ОУ.

Таким образом, в рассматриваемом примере должны выполняться условия:

;

.

Из приложения второй части методических указаний выбираем ОУ типа LM675 с параметрами: R_вх=10⁹ Ом; R_вых =1 кОм; I_вх=10 нА; ; U_см=10 мВ; . Условия пригодности ОУ по входному и выходному сопротивлению выполняются. Проверим условие по напряжению смещения. Суммарное, приведенное ко входу, смещение ОУ рассчитывается по формуле

. (2.9)

Компоненты в правой части формулы:

(2.10)

от разницы входных токов;

(2.11)

от температурного дрейфа разницы входных токов;

( 2.12)

от напряжения смещения;

(2.13)

- от температурного дрейфа напряжения смещения.

Таким образом суммарное напряжение смещения ОУ составляет

. (2.14)

Это значение меньше U_смдоп , поэтому ОУ удовлетворяет требованию применения в схеме сумматора.

Найдем максимально допустимую амплитуду напряжений источников сигнала, полагая, что напряжение U_выхmax формируется входными сигналами поровну:

(2.15)

(2.16)

3. Схема устройства реализованного в САПР

3.1 Построение схемы

Для того чтоб построить схему и в дальнейшем ее промоделировать воспользуемся программой OrCAD 9.2

Запускаем программу Пуск>Программы>Orcad Family Release 9.2>Capture CIS

Для создания нового документа а открывшемся окне программы выбираем File>New>Project, в открывшемся окне вводим название нашего документа, выбираем режим в котором будет создан наш проект - “Analog or Mixed A/D”, а далее вводим путь к месту где куда будет сохранен наш проект и нажимаем “OK”. Теперь мы имеем рабочую область на которой собираем нашу схему.

Рисунок 3.1 - Рабочая область программы OrCAD Capture CIS

Для добавления нужных нам элементов схемы можем воспользоваться меню Place>Part, комбинацией клавиш “Shift+P”, или же соответствующей пиктограммой на панели, имеющей вид . В открывшемся окне “Place Part” находим и выбираем нужный нам элемент LM324 который находится в библиотеке элементов “OPAMP”. Выбрав его жмем кнопку “OK”, а затем размещаем элемент на рабочем поле.

Подобным образом находим и размещаем остальные элементы схемы.

Пассивные элементы такие как резисторы и конденсаторы находятся в библиотеке “ANALOG”, источники питания в библиотеке “SOURCE”. Также для работоспособности нашей схемы мы должны включить в нее элемент заземления. Выбрать нужный нам элемент заземления мы можем в меню “Place>Ground”, комбинацией клавиш “Shift+G” или же нажав соответствующую пиктограмму на панели, имеющую вид . А также для того чтобы наблюдать результаты моделирования на “выход ” схемы подключаем вольтметр. Его можно добавить на схему нажав соответствующую пиктограмму на панели, имеющую вид .

Для создания межэлементных соединений можем воспользоваться меню “Place Wire”, комбинацией клавиш “Shift+W” или же соответствующей пиктограммой на панели, имеющей вид . Выбираем данный инструмент и выбирая выводы элементов, которые должны быть соединены, соединяем их.

Теперь задаем номинальные значения элементов схемы согласно заданию. Для этого, возле каждого элемента имеется два параметра один показывает позиционный номер элемента, второй - его номинальное значение, выбираем второй параметр, а затем нажимаем правую клавишу мыши и в контекстном меню выбрать “Edit Properties”, в открывшемся окне в вводим нужное значения номинала элемента а также выбираем способ его отображения - “Value Only”. Проделав эту операцию со всеми нужными элементами, создаем список цепей.

Список цепей нужен для того что б в дальнейшем была возможность создать с помощью приложения OrCAD Layout топологию печатной платы. Его можно создать выбрав меню PSpice>Create Netlist.

Когда схема собрана, заданы все значения номиналов элементов цепи переходим к моделированию.



Рисунок 3.2 - Готовая к моделированию схема в программе Capture CIS

4. Результаты симуляции работы схемы

4.1 Моделирование схемы

Перед тем как запустить схему на моделирование необходимо задать параметры по которым будем моделировать схему. Для этого воспользуемся меню “PSpice>New Simulation Profile” или нажмем на соответствующую пиктограмму на панели, имеющую вид . В отрывшемся окне вводим название профиля настроек нашей схемы и нажимаем кнопку “Create”. Далее открывается окно в котором собственно будем задавать настройки моделирования. Переходим на вкладку “Analysis”, в выпадающем меню “Analysis Type” выбираем “AC Sweep/Noise”, в списке “Options” выбираем “General Settings”, а в “AC Sweep Type” выбираем шкалу “Logarithmic”, задаем частотный диапазон моделирования и количество рассчитанных точек. Задав все параметры нажимаем кнопку “OK”.

Рисунок 4.1 - Параметры для моделирования

Теперь запускаем моделирование с помощью меню PSpice>Run, клавиши F11 или же с помощью соответствующей кнопки на панели, имеющую вид . После программа проверит схему на правильность и работоспособность и если ошибок не обнаружит то просчитает схему по заданным параметрам и номиналам элементов и выдаст результат.

4.2 Анализ полученных результатов

Промоделировав схему по заданным параметрам и номиналам элементов мы получили график амплитудно-частотной характеристики (зависимость выходного напряжения от частоты) K_u(f).

Для определения частоты среза f_з и граничной частоты полосы задержки f_s по графику воспользуемся инструментом “Eval Goal Function” для этого нажимаем соответствующую пиктограмму над графиком имеющую вид . Значения напряжения и частоты соответствующие выбранной точке отображаются на графике.

Рисунок 4.2 - График амплитудно-частотной характеристики K_u(f)

Рисунок 4.3 - Определение частоты среза с помощью “Eval Goal Function”



Рисунок 4.3 - Определение граничной частоты полосы задержки с помощью “Eval Goal Function”

Согласно заданию частота среза f_з должна быть равна 3кГц. Для того что б установить такое значение частоты необходимо подобрать значения резисторов R1, R2, это можно сделать двумя способами: с помощью специального элемента PARAMETERS; с помощью PSpice Optimizer.

5. Результаты оптимизации работы схемы

5.1 Оптимизация схемы с помощью PARAMETERS

Для подбора значений сопротивлений резисторов R1, R2, R3 устанавливаем специальный элемент “PARAMETERS”. Его можно установить через меню “Place>Part” в библиотеке “Special”. Далее заменяем значения номиналов этих резисторов на переменную “{par}”. Затем дважды щелкаем мышкой на элементе “PARAMETERS”, в открывшемся окне нажимаем кнопку “New Column” вводим имя нашей переменной и ее значение. Для отображения переменной нажимаем кнопку “Display” и выбираем в открывшемся окне способ отображения “Name and Value”.

Теперь нам надо изменить задание на моделирование это можно сделать через меню “PSpice>Edit Simulation Profile” или же нажав на пиктограмму на панели, имеющую вид . . В открывшемся окне в списке “Option” включаем опцию “Parametric Sweep” , в “Sweep Variable” выбираем “Global Parameter” и вводим имя нашей переменной в поле “Parameter name”, в “Sweep type” задаем диапазон значений переменной и шаг переменной. Задав все значения нажимаем “OK”.

Запускаем схему на моделирование. В окне просмотра результатов мы видим зависимость полосы пропускания от сопротивления резисторов R1, R2.



Рисунок 5.1 - Зависимость полосы пропускания фильтра от сопротивления резисторов R1, R2.

Для определения необходимого сопротивления при котором частота среза fз будет равна - 3 кГц. Необходимо построить зависимость fз от сопротивления резисторов R1=R2=R. Для этого воспользуемся инструментом “Performance Analysis” и создадим заготовку графика чтоб вызвать его нажимаем соответствующую пиктограмму над графиком имеющую вид . Затем используем инструмент “Add Trace” который можно вызвать с меню “Trace>Add Trace” или нажав соответствующую пиктограмму над графиком, имеющую вид , далее в открывшемся окне в строку “Trace Expression” вписываем нужную нам функцию “LPBW(V(U1A:OUT),3)”, ее также можно выбрать из списков находящихся в этом окне.

Рисунок 5.2 - Зависимость f_з от сопротивления резисторов R1=R2=R

Аналогичным способом строим зависимость отношения f_s/f_з от сопротивления резисторов R1=R2=R3=R для этого используем целевую функцию вида “LPBW(V(U1A:OUT),20)/ LPBW(V(U1A:OUT),3)”.

Рисунок 5.3 - Зависимость отношения f_s/f_з от сопротивления резисторов R1=R2=R

С рисунка 5.3 видно что для частоты среза равной 3 кГц значения сопротивлений должно быть равно - 3,2 кОм.

5.2 Оптимизация схемы с помощью PSpice Optimizer

Второй способ оптимизировать схему это использовать инструмент PSpice Opimizer. Для подбора элементов с помощью этого инструмента для начала нужно добавить его на рабочее поле, сделать это можно через меню “PSpice>Place Optimizer”. Далее для задания параметров оптимизации дважды щелкаем мышкой на элементе “Optimizer Parameters” и в открывшемся окне задаем нужные значения. В поле “Name” вводим имя переменной, в поле “Initial Value” вводим начальное значения нашего параметра, в поле “Current Value” вводим текущее значение или начальное значение нашего параметра, в поле “Tolerance” допустимое отклонение, в поле “Lower Limit” вводим нижнюю границу значения параметра, а в поле “Upper Limit” - верхнюю границу значения параметра. Когда заполнили се поля нажимаем кнопку “ADD”? а затем кнопку “OK”. Теперь запускаем “Optimizer”. Делаем это с помощью меню “PSpice>Run Optimizer ” в открывшемся окне заходим в меню “Edit>Specification” в открывшемся окне нажимаем кнопку “ADD” для добавления новой спецификации. После нажатия этой кнопки откроется окно в котором будем задавать: имя новой спецификации, в поле “Name”; значение частоты среза которую нам надо получить в результате подбора, в поле “Target”; допустимое отклонение , в поле “Range”; путь к файлу профиля симуляции, в поле “Simulation Profile of Circuit File” для этого нажимаем кнопку в виде трех точек рядом с полем и указываем расположение файла, или же прописываем путь к файлу непосредственно в поле; а также целевую функцию в поле “Evaluate”. Заполнив нужные поля нажимаем кнопку “OK”.

Рисунок 5.4 - Пример окна параметров спецификации

Теперь когда заданы все параметры оптимизации запускаем подбор нужных нам значений сопротивлений делаем это с помощью меню “Tune>Auto>Start”. По окончании подбора в разделе “Parameters” окна “PSpice Optimizer” будет показано то значение сопротивлений при которых частота среза будет равна - 3 кГц.

Рисунок 5.5 - Пример окна “PSpice Optimizer” с готовыми результатами подбора параметров

По результатам видно что для частоты среза равной 3 кГц значения сопротивлений должны быть равны 3,176 кОм. Для присвоения подобранных значений нашим элементам воспользуемся меню “Tune> Update Performance”. По завершении операции закрываем окно.

6. Печатная плата

6.1 Проектирование топологии печатной платы с помощью Layout

Для начала разработки печатной платы создадим список цепей. Выполним команду Tools, далее Create Netlist. Появится окно Create Netlist на вкладке Layout укажем где будет хранится файл с расширением MNL. Нажмем ОК и вызываем редактор Layout. Для этого заходим в ПУСК/ПРОГРАММЫ/Orcad Family Release 9.2/Layout. Запустится Orcad Layout (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Окно Orcad Layout

Для проектирования печатной платы нажмем команду File, далее New. В открывшемся окне выбираем файл METRIC и нажимаем открыть (рисунок 2.8). Выделяем созданный ранее нами файл и нажимаем открыть.

Рисунок 6.2 - Окно Load Template File

Появится окно Load Netlist Source (рисунок 2.9) в котором выберем наш сохраненный файл. И сохраним его. После чего откроется окно Layout с трассировкой элементов нашего проекта (рисунок 3.0).

Рисунок 6.3 - Окно Layout с трассировкой элементов нашего проекта

Далее войдем в опцию Tool и выберем команду Obstacle далее New. Нажимаем левую кнопку мыши и создаем контур платы (рисунок 3.1).

Для расстановки элементов на плате нажимаем команду Auto, далее Place и выбираем Board. Для трассировки печатных соединений входим в опцию Auto, далее Autoroute и Board (рисунок 3.2). Выполнится автоматическая трассировка печатной платы.

Рисунок 3.4 - Плата после Autoroute

Выводы

В результате выполнения курсовой работы были освоены основные навыки работы с пакетом сквозного проектирования электрических схем OrCad 9.2.

Смоделирована схема фильтра, построены АЧХ, сняты полоса пропускания и амплитуда, подобрано значение конденсаторов. Параметры фильтра изменены в 2.2 раза по сравнению с первоначальным значением. Также произведена трассировка печатной платы в приложении Layout Plus.

Рассмотрим параметры которые необходимо придерживаться при расчете фильтров: ОУ необходимо выбирать из условий, что его коэффициент усиления должен быть больше коэффициента усиления фильтра минимум в 50 раз и частота среза ОУ была значительно больше частот среза фильтра; допуск сопротивлений при порядке фильтра не выше 4-го порядка должен быть не хуже 5%.

Список ссылок

1. “OrCad Pspice. Анализ электрических цепей” Джон Кеоун, издательство: Питер, ДМК пресс 2008г.

2. Конспект лекций по дисциплине “Моделирование в электронике”

3. Афанасьев А. О., Кузнецова С.А., Нестеренко А. В. Проектирование в OrCAD. Киев. «Наука и техника», 2001.

Размещено на Allbest.ru