Принцип действия источника опорного напряжения с двухполярным выходом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ принципа действия источника опорного напряжения с двухполярным выходом

1.1 Общие сведения об интегральных операционных усилителя

1.2 Описание работы источника опорного напряжения

2. Расчёт номинальных значений элементов

3. Обоснование выбора типа элементов

Вывод

Введение

Полупроводниковая электроника представляет собой обширную область науки и техники, охватывающую большой круг вопросов получения и исследования полупроводниковых материалов, проектирования и производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, а также построения устройств и систем на их основе. Изделия полупроводниковой электроники образуют элементную базу современной вычислительной техники, автоматики, радиоэлектроники и силовой полупроводниковой преобразовательной техники. Успехи технологии полупроводниковых приборов в начале 60-х годов способствовали созданию интегральных микросхем, объединяющих в одном полупроводниковом кристалле десятки, сотни и тысячи элементарных полупроводниковых приборов: диодов, резисторов, биполярных и полевых транзисторов. Создание интегральных микросхем позволило резко повысить надежность, снизить массу, габариты и потребление мощности электронно-вычислительной аппаратуры, повысить ее быстродействие и функциональные возможности. Большим достижением микроэлектроники явилось создание в начале 70-х годов микропроцессоров на базе больших интегральных микросхем (БИС) -- надежных, дешевых и производительных вычислительных систем, изготовленных в одном полупроводниковом кристалле и выполняющих все функции электронной вычислительной машины. Наряду с интегральными микросхемами выпускается большое количество дискретных полупроводниковых приборов. К ним прежде всего относятся маломощные и мощные диоды, транзисторы, тиристоры, всевозможные полупроводниковые датчики и преобразователи энергии: солнечные батареи и полупроводниковые термоэлектрические устройства.

Представление о полупроводниках как об особом классе веществ возникло в начале 30-х годов в связи с появлением квантовой теории твердого тела. Однако уникальные физические свойства этих материалов использовались в приборах еще в конце прошлого века. Выпрямительные свойства контактов между металлами и некоторыми сернистыми соединениями были обнаружены в 1874 г. А. С. Поповым. При изобретении радио был применен порошковый когерер, в котором использовались нелинейные свойства зернистых структур.

В 20-е годы 20-го столетия О. В. Лосев экспериментально доказал существование некоторого «активного» слоя в детектирующем контакте, обладающего вентильными свойствами, которые теперь объясняются наличием p--n перехода. Еще в 1923 г. он обнаружил в этом слое явление люминесценции, которое теперь широко применяется в светоизлучающих диодах и полупроводниковых лазерах. Он был первым, кто обнаружил и использовал наличие отрицательного дифференциального сопротивления точечной концентрации радиосигналов. Широкое и систематическое исследование свойств полупроводников было начато в 30-е годы. Именно в этот период были разработаны основы физики полупроводников, открыты наиболее важные эффекты в полупроводниках, на основе которых работают современные полупроводниковые приборы. При разработке теории выпрямления на границе двух полупроводников разного типа электропроводности (электронной и дырочной) Б. И. Давыдов в 1938 г. установил важную роль неосновных носителей заряда в образовании тока. В 1940--1941 гг. В. К. Лошкаревым и его сотрудниками экспериментально была подтверждена диффузионная теория выпрямления на p--n переходе. В 1940 г. был изготовлен первый точечный диод. В 1948 г. американские физики Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли предложили, а затем изготовили точечно-контактный транзистор. У. Шокли разработал теорию плоскостного транзистора. В 1952 г. были созданы первые промышленные образцы плоскостных транзисторов, получивших в дальнейшем широкое распространение. Тогда же У. Шокли предложил полевой транзистор с управляющим p--n переходом.

Одновременно с разработкой приборов новых типов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления. В первой половине 50-х годов был разработан процесс диффузии примесей в полупроводниковые материалы, и в 1956 г. началось производство транзисторов с базой, полученной методом диффузии. Важным достижением стало появление в начале 60-х годов планарного процесса. Выращивание изолирующего слоя диоксида кремния на поверхности кремниевой подложки и получение в нем топологического рисунка заданной конфигурации с применением процесса фотолитографии позволили осуществлять прецизионный контроль за размерами элементов полупроводниковой структуры. Наряду с этим в 1960 г. был разработан еще один из важнейших технологических процессов - эпитаксиальное наращивание слоев полупроводников требуемых толщины и электрических свойств на монокристаллической подложке.

По мере совершенствования технологии полупроводниковых приборов и с появлением планарной технологии наблюдалось быстрое освоение полупроводниковыми приборами диапазона СВЧ. В 60-е годы появились смесительные диоды с барьером Шотки, туннельные диоды, варикапы, СВЧ транзисторы. Эффект генерации когерентных СВЧ колебаний в p--n переходе при ударной ионизации, обнаруженный в 1959 г. А. С. Тагером и его сотрудниками, лег в основу нового типа приборов - лавинно-пролетных диодов. Достижения полупроводниковой электроники явились основой создания микроэлектроники. В 1961--1962 гг. появились первые биполярные интегральные микросхемы, а в 1964 г. -- несложные интегральные микросхемы на полевых транзисторах. С 1967 г. начался выпуск больших интегральных микросхем. /1/

1. Анализ принципа действия источника опорного напряжения с двухполярным выходом

1.1 Общие сведения об интегральных операционных усилителях

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока, имеющий коэффициент усиления по напряжению выше тысячи.

Термин «операционный усилитель» возник в аналоговой вычислительной технике, где подобные усилители с соответствующей обратной связью применялись для моделирования различных математических операций (интегрирование, суммирование и т. д.). Появление полупроводниковых ОУ в виде интегральных схем (ИС), имеющих относительно низкую стоимость и высокие технические характеристики, привело к тому, что ОУ очень быстро стал наиболее широко применяемой, универсальной аналоговой ИС.

Принципиальные схемы интегральных ОУ содержат, как правило, один, два или три транзисторных каскада усиления напряжения (причем входной каскад всегда выполняется по дифференциальной параллельно-симметричной схеме), выходной каскад усиления тока (эмиттерный повторитель) и цепи согласования каскадов между собой.

Эквивалентная схема ОУ для низких частот показана на рисунке 1. Входящие в эту схему суммирующие узлы (обозначены кружками) предполагаются идеальными: их выходное напряжение равно сумме входных напряжений, взятых с соответствующим знаком. Точно также предполагаются идеальными масштабирующие звенья (обозначены треугольниками): их входные и выходные сопротивления так же, как и у суммирующих звеньев, равны соответственно бесконечности и нулю. Все напряжения в эквивалентной схеме рисунке 1 отсчитываются относительно общего провода -- земли.

Как видно из эквивалентной схемы, ОУ имеет два основных входа и один выход (именно так и обстоит дело в подавляющем большинстве интегральных ОУ, хотя в принципе могут быть и отличия от этого варианта). Один из входов усилителя называется инвертирующим, а другой -- неинвертирующим. При работе ОУ в линейном режиме напряжение на его выходе возрастает с уменьшением напряжения на инвертирующем входе (e-) и с увеличением напряжения на неинвертируюшем входе (е+). Для экономии места в дальнейшем будем называть инвертирующий вход И-входом, а неинвертирующий -- Н-входом.

Разность напряжений на входах ОУ (е+~е-) называют дифференциальным (разностным) входным сигналом ОУ, а полусумму этих напряжений (е+ + е-)/2 -- синфазным входным сигналом.

Рисунок 1 -- Эквивалентная схема ОУ для низких частот

На электрических схемах ОУ принято условно изображать в виде треугольника, одна из вершим которого служит точкой присоединения выходного вывода. Входы усилителя показывают на противоположной стороне треугольника, причем И-вход обозначают знаком «--» или маленьким кружком.

Параметры ОУ, которые характеризуют его качество, весьма многочисленны.

Коэффициент усиления (К) -- отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке характеристики:

1.

где UBX = e+--е-; интегральные ОУ имеют коэффициент усиления, лежащий в диапазоне 103--10б.

Напряжение смещения (есм) -- дифференциальное входное напряжение (е+--e-), при котором выходное напряжение усилителя равно нулю. Максимальное по модулю значение есм для усилителей, входные каскады которых выполнены на биполярных транзисторах, чаще всего составляет 3--10 мВ. У тех ОУ, у которых входной каскад строится на полевых транзисторах, напряжение смещения обычно на порядок больше, 30--100 мВ.

Средний входной ток (iвх) -- среднеарифметическое значение токов Н- и И-входов усилителя, измеренных при таком входном напряжении UBX, при котором выходное напряжение UBblХ равно нулю. На эквивалентной схеме рисунок входные токи отражены в виде источников тока i+ и i-. Средний входной ток интегральных усилителей с входными каскадами на биполярных транзисторах обычно лежит в диапазоне 0,01 -- 1 мкА. Такие малые значения гвх обеспечиваются за счет работы входных транзисторов ОУ в режиме очень малых коллекторных токов. Дальнейшее снижение входных токов (до 1 нА и меньше) достигается при использовании полевых транзисторов во входных каскадах ОУ.

Разность входных токов (?iвх) -- абсолютное значение разности токов двух входов усилителя |i+--i-|, из­меренных тогда, когда напряжение на выходе усилителя равно нулю. Этот разностный ток в значительной степени говорит о том, насколько велика несимметрия входного каскада ОУ. Если значение ?iвх близко к нулю, то влияние входных токов i+ и i- на входное напряжение ОУ можно существенно уменьшить, устанавливая одинаковыми эквивалентные проводимости внешних цепей, присоединенных к Н- и И-входам ОУ. Обычно ?iвх составляет 20--50 % iBХ.

Входное сопротивление (гвх)--сопротивление со стороны одного из входов ОУ, в то время как другой заземлен. В некоторых случаях это сопротивление называют входным сопротивлением для дифференциального сигнала, с тем, чтобы отличить его от входного сопротивления для синфазного сигнала. Входное сопротивление ОУ может составлять 103--106 Ом и более.

Входное сопротивление для синфазного сигнала (гсф) определяют как отношение приращения синфазного напряжения к приращению среднего тока усилителя. Величина гсф обычно на 1--2 порядка и более превышает гвх. На эквивалентной схеме рисунок 1 входное сопротивление гвх показано в виде сопротивления, включенного между входами усилителя, а сопротивление гсф -- в виде двух сопротивлений, включенных параллельно источникам токов i+--i-.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала (МСФ) -- отношение коэффициента усиления К к коэффициенту передачи синфазного сигнала. Коэффициент передачи синфазного сигнала при этом определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного напряжения. Коэффициент ослабления синфазного сигнала может быть определен и по-другому: как отношение синфазного сигнала к вызванному этим сигналом изменению напряжения смещения усилителя.

Тракт передачи синфазного сигнала на эквивалентной схеме показан в виде сумматора входных сигналов е+ и е- и безинерционного звена с коэффициентом передачи 0,5/МСФ, напряжение с выхода которого, равное обусловленному синфазным сигналом изменению напряжения смещения, подается через другой сумматор на вход основного усилительного звена.

Коэффициент влияния нестабильности источника питания (Кп) -- отношение изменения напряжения смещения к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений ?UП(иногда влияние нестабильности источников положительного и отрицательного питающих напряжений характеризуют раздельными коэффициентами влияния). Этот коэффициент чаще всего равен 2*10-5- 2*10-4, что соответствует 20--200 мкВ/В.

Выходное сопротивление ОУ (гвых) определяется точно так же, как и для любого другого усилителя и составляет обычно величину, лежащую в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен Ом.

Динамические свойства ОУ определяются обычно двумя параметрами: частотной полосой и скоростью изменения выходного сигнала.

Частотная полоса ОУ определяется, как правило, частотой единичного усиления f1, т. е. частотой, на которой коэффициент усиления ОУ уменьшается до единицы. Значения f1 у большинства интегральных ОУ лежат в диапазоне от десятых долей мегагерца до нескольких десятков мегагерц.

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ (v) определяется при подаче на его вход импульса напряжения прямоугольной формы. Для типовых интегральных ОУ максимальная скорость нарастания лежит в диапазоне 0,3--50 В/мкс. Так как наибольшая скорость изменения синусоидального сигнала пропорциональна амплитуде и частоте этого сигнала, то ограничение скорости изменения выходного сигнала ОУ приводит к ограничению амплитуды выходного неискаженного гармонического сигнала на высоких частотах.

Параметры ОУ зависят от температуры окружающей среды.

Температурный дрейф напряжения смещения для интегральных ОУ со входными каскадами па биполярных транзисторах составляет обычно 5--20 мкВ/К.

Для усилителей, входные каскады которых построены на полевых или на составных биполярных транзисторах, температурный дрейф напряжения смещения лежит в диапазоне 20--100 мкВ/К.

Температурные изменения входных токов ОУ имеют различный характер в зависимости от типа транзисторов, использованных во входных каскадах. В ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах входной ток уменьшается при увеличении температуры (это объясняется тем, что коэффициент усиления транзистора возрастает, в то время как коллекторный ток остается постоянным). При увеличении температуры от 20 до 125 °С входной ток ОУ на биполярных транзисторах уменьшается почти в три раза и примерно во столько же раз возрастает при уменьшении температуры от 20 до --60 °С.

В усилителях, входные каскады которых выполнены на полевых транзисторах, входной ток возрастает с увеличением температуры. В этом случае входной ток -- это в основном ток запертого р--n-перехода, который, как известно, возрастает примерно в 2 раза при увеличении температуры на 10 К.

Температурное изменение разности входных токов носит такой же характер, что и температурное изменение среднего входного тока: в ОУ с входными каскадами на биполярных транзисторах разность входных токов уменьшается с увеличением температуры, а в ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах -- возрастает. Вследствие неидентичности параметров транзисторов входного каскада разность входных токов ОУ может изменяться с относительным температурным коэффициентом, в 1,5--2 раза большим, чем относительный ТК среднего входного тока ОУ.

Температурный коэффициент коэффициента усиления ОУ может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от температуры и типа ОУ. В полном диапазоне допустимых температур окружающей среды коэффициент усиления ОУ изменяется обычно не более чем в 3--5 раз.

Частотная коррекция ОУ обычно осуществляется с помощью подключения конденсаторов и резисторов к соответствующим зажимам ОУ. Назначение частотной коррекции -- предотвращать автоколебания выходного сигнала при охвате усилителя цепью отрицательной обратной связи (ООС). Причина автоколебаний -- нежелательные фазовые сдвиги в усилителе и цепи ООС, вследствие чего отрицательная обратная связь па некоторой частоте приобретает свойства положительной обратной связи.

Чем сложнее усилитель и чем выше его коэффициент усиления, тем более склонен он к самовозбуждению (самовозбуждение может возникать даже без цепи ООС за счет паразитных емкостей между входом и выходом).

Цепи коррекции снижают коэффициент усиления ОУ на той частоте, на которой фазовый сдвиг о замкнутом контуре равен 3600 (коррекция на отставание по фазе), или уменьшают сдвиг фаз на тех частотах, на которых коэффициент усиления в замкнутом контуре больше единицы (коррекция па опережение по фазе).

Рекомендуемые для различных конкретных ОУ цепи коррекции обычно рассчитываются еще на стадии проектирования ОУ, и затем параметры этих цепей приводятся в руководствах по применению ОУ.

Ряд ОУ имеет встроенные цепи частотной коррекции, реализованные, как правило, на основе МОП-конденсаторов, формируемых в кристалле одновременно с другими элементами усилителя. К таким усилителям относятся, в частности, ОУ типов К140УД6, К140УД7, К140УД8, К544УД1. Наличие внутренней частотной коррекции является существенным достоинством при эксплуатации усилителя, хотя и не позволяет в полной мере использовать динамические свойства усилителя при малых значениях коэффициента отрицательной обратной связи в0 (внутренняя коррекция рассчитана на введение глубокой ООС, вплоть до во = 1

Устойчивость усилителя, охваченного цепью отрицательной обратной связи, может существенно ухудшиться, если он нагружен на полное сопротивление, имеющее емкостной характер. В подобных случаях рекомендуется для предотвращения самовозбуждения подключать к выходному зажиму ОУ (внутри корпуса обратной связи) резистор сопротивлением 50 - 100 Ом. /2/

1.2 Описание работы источника опорного напряжения

операционный усилитель опорное напряжение

В данной схеме источника опорного напряжения c двухполярным выходом (рисунок 2) возможно получение разнополярных стабилизированных напряжений. Схема содержит два операционных усилителя, совершенно идентичных по параметрам. Данное устройство обеспечивает выходные напряжения меньшие по модулю, чем опорное напряжение Uo.

Рисунок 2 - Принципиальная схема источника опорного напряжения с двухполярным выходом

В данном случае

(2)

Отсюда находим

 (3)

(4)

Начальная несимметрия в данном стабилизаторе обеспечивается путем подачи в стабилитрон небольшого начального тока. Для этой цели в стабилизаторе к цепи со стабилитроном присоединяют инверсный вход первого ОУ.

Оба инвертирующих операционных усилителя (ОУ) DA1 и DA2 имеют обратные связи (ООС), в цепь ООС этих ОУ включены резисторы R1 и R2, для первого ОУ и R4, R5 для второго ОУ. С помощью этих резисторов мы можем регулировать величину выходного напряжения обоих ОУ (UCT+ и UCT-). При этом напряжение на выходах ОУ уже стабилизированное. В цепь обратной связи включен и стабилитрон VD, задающий опорное напряжение в схеме. Резистор R3 задает величину тока проходящего через стабилитрон. В схеме ОУ выбираются одинаковыми с необходимым выходным током./3/

2. Расчёт номинальных значений элементов

Рассчитаем вначале второй каскад схемы

Зададимся сопротивлением R4. Возьмем R4=40 кОм. Тогда получим

(5)

Ом(6)

Ток проходящий через резистор R4 равен

мА(7)

мА(8)

Токи IR4 и IR5 равны между собой, при чем ток IR5 есть Iоос

Примем условие, что выходной ток ОУ2 равен 20мА, тогда

мА(9)

Аналогично рассчитывается и первый каскад схемы. Возьмем R1=100 кОм.

(10)

Ом(11)

Ток проходящий через резистор R1 равен

мА(12)

мА(13)

Так как резистор R3 токозадающий, то зададимся таким его значением, чтобы было впоследствии легко подобрать стабилитрон для схемы. Возьмем R3=2 кОм

мА(14)

Исходя из рассчитанных данных посчитаем по формуле (3) либо (4) опорное напряжение, далее исходя из его значения можно будет подобрать необходимый стабилитрон.

В(15)

Произведём расчёт мощности, рассеиваемой на каждом резисторе по формулам:

мВт(16)

Рассчитаем допустимую отклонение значений рассчитанных элементов исходя из того что ?Ucт = 1%. Основной вклад в отклонение реальных значений выходных напряжений от требуемых вносят резисторы и стабилитрон

Расчет допустимого отклонения произведем по формуле:

где ?U0 - разница между выбранным значением опорного напряжения и рассчитанным, U0 - выбранное значение опорного напряжения, ?Ri - разница между выбранным значением сопротивления и рассчитанным, R0 - выбранное значение сопротивления

3. Обоснование выбора типа элементов

На основании выполненных в пункте 2 расчетов произведем выбор необходимых для источника опорного напряжения элементов. Для выбора операционного усилителя необходимо определить, какой выходной ток он должен обеспечивать, операционный усилитель должен иметь выходной ток свыше 10мА, также его внутреннее сопротивление должно быть свыше 106 Ом.

Данным требованиям удовлетворяет операционный усилитель КР544УД1А. Дифференциальный ОУ с высоким входным сопротивлением и низким уровнем шумов. Предназначен для широкого класса аналоговых устройств.

-- Выходной ток IВЫХ=20 мА;

-- Напряжение питания UИП1=(15+1,5) В, UИП2=(-15+1,5) В;

-- Потребляемый ток IПОТ=3,5 мА;

-- Средний входной ток IВХ= 0,15 нА;

-- Разность входных токов ?IВХ= 0,05 нА;

-- Напряжение питания UИП1=(15+1,5) В, UИП2=(-15+1,5) В;

-- Напряжение смещения UСМ=15мВ;

-- Входное сопротивление RВХ= 103 Мом

Из данного расчёта следует, что можно использовать резисторы с рассеиваемой мощностьюВт.

Выбираем следующие прецезионные резисторы:

R1 - C2-29В - 0,062 - 100 кОм ± 1%

R2- C2-29В - 0,062 - 200 кОм ± 1%

R3- C2-29В - 0,062 - 2 кОм ± 1%

R4- C2-29В - 0,062 - 39,8 кОм ± 1%

R5- C2-29В - 0,062 - 20 кОм ± 1

Выбор стабилитрона произведем с учетом необходимого UСТ.НОМ. , а также необходимо учесть ток протекающий через него. Он составляет 5мА. Выберем стабилитрон КС220Ж с параметрами:

- напряжение стабилизации номинальное 20 В;

- ток стабилизации 5мА;

- максимальная мощность рассеиваемая на стабилитроне 125 мВт /3/,/4/

Вывод

В результате выполнения данной курсовой работы был произведён анализ принципа действия источника опорного напряжения с двухполярным выходом, а также был произведён расчёт номинальных значений. После этого были выбраны типы элементов. Было рассчитано предельное отклонение выбранных значений параметров элементов от номинальных, что составило 0,97%, что соответствует требуемой точности.

Размещено на Allbest.ru