Дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления

Широкополосные усилители классифицируются на [3]:

- дифференциальный усилитель;

- симметричный широкополосный усилитель;

- дифференциальный усилитель с инвертором;

- двухтактный дифференциальный усилитель;

- широкополосный повторитель напряжения;

- широкополосный операционный усилитель.

Широкополосные усилители-ограничители могут быть основаны на различных схемотехнических базисах (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП и т.д.), которые отличаются уровнями входного сигнала, быстродействием, потребляемой мощностью и др.

Нам требуется разработать широкополосный усилитель-ограничитель с выходным сигналом в уровнях ТТЛ ИС.

Повторитель напряжения имеет наибольшее входное сопротивление и наименьшее выходное и используется для усиления сигнала по току, коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Однако это справедливо при достаточно низкой частоте, поэтому данный тип усилителя нам не подходит [10].

Дифференциальный усилитель представляет собой схему, предназначенную для усиления разности напряжений двух входных сигналов. Диапазон изменения синфазного входного сигнала задает допустимые уровни напряжения, относительно которого должен изменяться входной сигнал [5] (рисунок 1.2).

Рисунок 1.1. Принципиальная электрическая схема дифференциального усилителя

Из этих вариантов построения широкополосного усилителя был выбран дифференциальный усилитель с использованием двухпорогового дискриминатора ТТЛ ИС (сдвоенного компаратора) [9]. Компараторы имеют широкий диапазон входных сигналов.

Это упрощает построение схемы, поднимает быстродействие, снижает погрешность до пренебрежимо малых величин, так как для построения данной схемы мы будем использовать серийные элементы [4].

Такой способ является наиболее приемлемым для реализации поставленной задачи.

Одним из требований является обеспечение тестового режима работы широкополосного усилителя-ограничителя. Для решения этой задачи используется генератор гармонического сигнала, аналоговый ключ для переключения в режим тестирования и обратно (рисунок 1.3).

Рисунок 1.2 Функциональная схема широкополосного усилителя-ограничителя

1.1 Расчёт на структурном уровне

1.2 Усилитель-ограничитель

Для преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов в импульсные сигналы, а также для сравнения величины изменяющегося сигнала с постоянным значением опорного сигнала могут использоваться функциональные узлы, называемые компараторами. В данном случае удобно применить сдвоенный компаратор (двухпороговый дискриминатор).

Компаратор должен иметь диапазон частот входного сигнала от 1 кГц до 2 МГц, динамический диапазон входного сигнала 10 мВ - 1.0 В. Выходной сигнал в уровнях ТТЛ ИС при напряжении питания 5 В.

1.3 Генератор гармонического сигнала

Генератор гармонического сигнала служит для формирования сигнала проверки работоспособности. Нам необходимо сформировать синусоидальный сигнал с частотой от 1 кГц до 2 МГц.

1.4 Аналоговый ключ

В схеме присутствует аналоговый ключ. Он обеспечивает переключение между несколькими входами и подачей сигнала на выход. Управление осуществляется с помощью сигнала с регистра.

Таблица 2.1 - Требования к блокам

2.Расчет элементов электрической схемы

В данном разделе приводится расчет основных параметров электрической принципиальной схемы. Приведен выбор компаратора, аналогового ключа и расчет генератора с мостом Вина.

2.1 Двухпороговый дискриминатор

Для решения задач преобразования входного сигнала в уровни ТТЛ ИС и обеспечения контроля выходного сигнала в диапазоне от 10 мВ до 1В, будем использовать двухпороговый дискриминатор на базе сдвоенного компаратора К521СА1 [9] (Рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Двухпороговый дискриминатор

Входной сигнал подается на входы и и сравнивается с опорными напряжениями 10 мВ и 1В, полученными с помощью резистивного делителя R₄-R₆. Использовав напряжение на входе делителя 9 В и формулу:

,

где U_вых - выходное напряжение, U_вх - входное напряжение, R_i и R_j сопротивления простейшего резистивного делителя напряжения, показанного на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Резистивный делитель

Взяв входное напряжение 9 В, выходное напряжение 1 В (требуемое по условию максимума), а R₄ приняв за 800 Ом, можно вычислить, исплользуя формулу 3.1, сопротивления R₅ = 99 Ом и R₆ = 1 Ом. Полученные на резистивном делителе напряжения 0,01 В и 1 В сравниваются на сдвоенном компараторе с входным сигналом, в результате чего на выоде устанавливается логическое «1», если входной сигнал выходит за границы диапаозона 0,01 В - 1 В и логическое «0», если входной сигнал находится в границах диапазона [9]. Компаратор К521СА1 имеет выход в уровнях ТТЛ ИС, коэффициент усиления не менее 7500 [9] и время задержки не более 12 нс [9]. Динамический диапазон входного сигнала такого компаратора от минус 4 В до 4 В [9]. Частотный диапазон входного сигнала до 8 МГц [9]. Данный компаратор может работать при напряжении питания 9 В [9], что соответствует требованиям технического задания. Изменение выходного сигнала на всем диапазоне частот не более 3 дБ [9].

2.2 Генератор с мостом Вина

Генератор с мостом Вина. Мост Вина применяется в цепи обратной связи и вносимый им фазовый сдвиг на частоте генерации равен нулю (рисунок 3.2). Так как неинвертирующий усилитель на ОУ не инвертирует входной сигнал, то в этой схеме имеется положительная ОС.

Рисунок 3.2 - Генератор синусоидальных сигналов с мостом Вина

Коэффициент передачи моста Вина на частоте генерации равен 1/3. Поэтому коэффициент усиления усилителя на ОУ должен быть не менее трёх: R_oc/R_o ? 2. Частота генерации определяется номиналами элементов моста Вина [3]:

и, следовательно, при R₁ = R₂ = R и C₁ = C₂ = C:

.

Нам нужно получить сигнал с частотой в 50 кГц. Для этого мы выбираем емкость конденсатора равной 1 мкФ и высчитываем сопротивление резистора (по формуле 3). Будем использовать операционный усилитель К140УД7 [3].

= 50 кГц, С = 0.01 мкФ, R = 318 Ом.

Сопротивление R_ос = 3 кОм, R₀ = 1.3 кОм.

2.3 Аналоговый ключ

В качестве аналогового ключа мы будем использовать микросхему К590КН3 содержащую в своем составе два четырехканальных аналоговых коммутатора со схемой управления на базе триггера [5]. В зависимости от логических сигналов, имеющихся на его выводах, к выходам подключаются различные каналы.

Данная микросхемы состоит из двух ключей, которые имеют 4 аналоговых входа, 2 логических вывода, 2 аналоговых выхода (прямой и инверсный). Питание ключа ± 15 В.

Для обеспечения взаимодействия с ЭВМ, хранения и передачи информации от ЭВМ к усилителю и обратно будем использовать параллельный регистр 1554ИР33.

3.Электрическое моделирование схемы

Для электрического моделирования был генератор синусоидального сигнала с мостом Вина, выдающий на схему тестовый сигнал, с целью иллюстрации его работоспособности (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Модель работы генератора синусоидального сигнала с мостом Вина

Моделирование блока проводилось в ППП Micro-Cap 7.0 Для моделирования данной схемы была выбрана стандартная модель операционного усилителя (MODEL = $GENERIC). Параметры операционного усилителя приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Параметры элементов модели

усилитель ограничитель регистр

1. Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985.-304 с.

2. Справочники по полупроводниковым приборам [Электронный ресурс] / Применение микросхем серии КМОП; - 2004 - Режим доступа: http://www.gelezo.com/intex.htm, свободный. -- Загл. с экрана.-- Яз. рус.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.- М.: Мир, 1982.- 512 с.

4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочное пособие/ С.В.Якубовский, Н.А.Барканов, Л.Н.Ниссельсон и др.; Под ред. С.В.Якубовского.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1985.- 432 с.

5. Справочники по полупроводниковым приборам [Электронный ресурс] / Добро пожаловать в электронный мир!; ред. к т.н. Козак В. Р.; Электрон. дан. - 2003 - Режим доступа: http://www.inp.nsk.su/~kozak/start.htm, свободный. -- Загл. с экрана.-- Яз. рус.

6. Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем/ А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб.-2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985.-256 с.

7. Никонов А.В. Электротехника и электроника: Электр. учебник / ОмГТУ, фак. Авт. каф. АСОИУ.- Омск, 2004.

8. Новицкий Д.В. Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений.- Л.: Энергоатомиздат, 1985.

9. Успенский Б. Интегральные компараторы напряжения. //В помощь радиолюбителю. 1987, вып. 97.-С.49.

10. Справочник по электронным устройствам [Электронный ресурс] / Повторитель напряжения - Режим доступа: http://zpostbox.chat.ru/az3.htm, свободный. -- Загл. с экрана.-- Яз. рус.