Файл: Курсовая работа проектирование операционного усилителя.doc

КАФЕДРА АИТ


КУРСОВАЯ РАБОТА

«ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ»

Содержание:

Введение

Современный этап развития электроники характеризуется тем, что при проектировании электронных средств различного назначения используют не дискретные элементы (транзисторы, диоды, резисторы), а законченные функциональные узлы, выполненные в виде ИС. Такой подход позволяет значительно повысить статические, динамические, эксплутационные и надежностные показатели аппаратуры, существенно удешевить и сократить сроки ее проектирования, которое фактически сводится к разработке структуры, удовлетворяющей поставленным требованиям, выбору необходимых ИС и согласованию их входных и выходных характеристик.

Выбор и применение аналоговых ИС (АИС) достаточно специфичны и составляют большой простор для творчества разработчика. В настоящее время разработано большое число АИС как общего, так и специального назначения. К ним, в первую очередь, следует отнести АИС усилителей постоянного тока (операционных усилителей), схем сравнения (компараторов), источников питания (непрерывных стабилизаторов напряжения). Большую группу составляют специализированные АИС, предназначенные для построения бытовой аппаратуры (радиоприемная, аппаратура магнитной записи). Далее остановимся на основных параметрах, особенностей построения и функционирования наиболее распространенной аналоговой ИС – операционном усилителе.

Операционный усилитель – многокаскадный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

- коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности

---

- входное сопротивление стремится к бесконечности

- выходное сопротивление стремится к нулю

- если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю

- бесконечная полоса усиливаемых частот

История названия операционного усилителя связана с тем, что подобные усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств.

Операционные усилители и их основные параметры

Операционный усилитель – это аналоговая интегральная схема, снабженная, как минимум, пятью выводами. Два вывода используются в качестве входных(один инвертирующий, другой неинвертирующий), один вывод является выходным, два оставшихся используются для подключения источника питания ОУ. ОУ воспринимает только разность входных напряжений, называемую дифференциальным входным сигналом, и нечувствителен к любой составляющей входного напряжения, воздействующей одновременно на оба его входа (синфазный входной сигнал). В качестве источника питания используют двухполярный источник напряжения (+Еп, -Еп). Применение двух источников питания при подключении нагрузки к их общей точке позволяет формировать на выходе двухполярное напряжение. Из передаточных характеристик ОУ для неинвертирующего и инвертирующего входов следует, что что максимальное выходное напряжение ОУ всегда меньше напряжения питания. Это является следствием использования в двухтактном усилителе мощности транзисторов, включеннх по схеме с общим коллектором.

Обычно для реализации различных требований реальный ОУ строится на основе двух или трехкаскадных усилителей постоянного тока.

Функциональная схема трехкаскадного ОУ включает в себя входной, согласующий и выходной каскады усиления. Анализ электрических параметров ОУ показывает, что их практическая реализация предполагает использование в качестве входного каскада ОУ дифференциального усилительного каскада, что позволяет максимально уменьшить величину дрейфа усилителя, получить достаточно высокое усиление, обеспечить получение максимально высокого входного сопротивления и максимально подавить действующие на входе синфазные составляющие, обусловленные изменением температуры окружающей среды,

---

изменением напряжения питания, старением элементов и т.д. Согласующий каскад служит для согласования входного сигнала дифференциального усилителя с выходным каскадом ОУ, обеспечивая необходимое усиление сигнала по току и напряжению, а также согласование фаз сигналов. Характерной особенностью большинства ОУ является то, что на их выходе установлен усилитель мощности, выполненный на эммитерных повторителях. Это обеспечивает получение низкого выходного сопротивления, которое у маломощных ОУ оценивается в 100..500 Ом. Выходной каскад усилителя выполняется по двухтактной схеме, обеспечивает соответственно усиление сигнала по мощности. Усилитель работает в классе АВ. Необходимое для этого смещение задается диодами, которые также обеспечивают температурную стабилизацию режима покоя выходного усилителя. Эммитерные сопротивления обеспечивают согласование параметров комплементарной пары транзисторов выходного каскада ОУ и ограничивают его максимальный выходной ток

Итак, рассмотрим основные параметры ОУ, характеризующие его работу.

- коэффициент усиления по напряжению характеризует способность ОУ усиливать подаваемый на его входы дифференциальный сигнал.

∆Uвых

Ку= ----------

∆Uвх

- входное напряжение смещения – это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя. Данный параметр показывает, какой источник напряжения необходимо подключить к входу ОУ для того, чтобы на выходе получить Uвх=0.

- дрейф нуля – изменение напряжения на выходе усилителя при неизменном сигнале на входе. Дрейф нуля показывает на какую величину надо увеличить или уменьшить напряжение на входе усилителя для того, чтобы выходное напряжение было равно его самопроизвольному изменению.

- входной ток - ток, протекающий во входных выводах ОУ и необходимый для обеспечения требуемого режима работы его транзисторов по постоянному току.

- входное сопротивление: различают дифференциальное входное сопротивление и синфазное входное сопротивление. Первое определяется как сопротивление между входами усилителя, а второе – как сопротивление между объединенными входными выводами и нулевой шиной.

- выходное сопротивление - это сопротивление усилителя, рассматриваемого как эквивалентный генератор.

- коэффициент подавления синфазного

---

сигнала определяет степень ослабления синфазной составляющей входного сигнала.

- максимальная скорость изменения выходного напряжения характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах; измеряется при подаче на вход ОУ напряжения ступенчатой формы.

- частота единичного усиления – это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице.

В зависимости от целевого назначения ОУ подразделяют на:

- общего применения, предназначенные для использования в аппаратуре, где к параметрам усилителей не предъявляют жестких требований и допустимы погрешности в долях процента

- прецизионные, имеющие малые дрейфы и шумы, а также высокий коэффициент усиления

- быстродействующие, которые имеют большую скорость изменения выходного напряжения до 200-500 В/мкс и используются для построения импульсных и широкополосных устройств.

- микромощные ОУ, потребляющие от источника питания малые токи (менее 1 мА), которые удобно использовать в батарейной аппаратуре.

Практическая часть

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Разработатъ измерительный усилитель с источником питания. Параметры усилителя должны удовлетворять следующим техническим условиям:
1. Коэффициент усиления по напряжению 60000

2. нижняя граница диапазона частот, Гц. 0

З. Верхняя граница диапазона частот, Гц. 400

4. Минимальное сопротивление нагрузки, Ом. 100

5. Погрешность коэффициента усиления в полосе

рабочих частот на холостом ходу, не более, % 1,0%

6. Дополнительная погрешность коэффициента усиления при

подключении Rн.мин., не более, % 1

7. Максимальное входное напряжение, в. 10

8. Максимальное выходное напряжение; в. 12

9. Входное сопротивление в полосе рабочих частот, МОм. >1

10. Погрешность входного сопротивления не более, % -

11. Приведенный температурный дрейф нуля, не более, мкВ/град. 1

12. Дополнительный фазовый сдвиг в полосе

рабочих частот, не более, град. 120

13. Рабочий диапазон температур, С 10-60

14. Напряжение питания, в. 220

15. Частота, Гц. 50

1.Выбор структурной схемы усилителя

Если в технических условиях на проектирование содержатся специальные требования, относящиеся к входной или выходной цепям

---

, то их легче удовлетворить в том случае, когда в структуре усилителя имеются специальные входные и выходные части. Поскольку основным средством получения требуемых параметров является введение цепей обратной связи, то входная и выходная части могут представлять собой самостоятельные усилители, охваченные обратной связью. Параметры этих усилителей, а также вид и глубина обратной связи рассчитываются так; чтобы обеспечивалось получение параметров, заданных в технических условиях на проектирование.

Произведение коэффициентов усиления по напряжению входной и выходной частей усилителя обычно меньше требуемого в задании, поэтому между ними вводится промежуточная часть усиления. Она обеспечивает получение необходимого коэффициента усиления и представляет собой один или несколько каскадов электронных усилителей. .

Таким образом; структурная схема проектируемого измерительного усилителя имеет следующий вид (приложение 3).

2. Расчетная часть измерительного усилителя

2.1 Проектирование входной части

Требуется создать усилитель, входное сопротивление которого должно быть

> 1МОм. Выберем в качестве схемы включения схему неинвертирующего усилителя (если входное сопротивление > 1 Мом, то применяется неинвертирующий усилитель, в противном случае – инвертирующий).

Исходя из входных данных требуемого усилителя (а именно: коэффициента усиления, его стабильности, коэффициента ослабления синфазной составляющей входного напряжения, предельной частоты, температурного дрейфа нуля) выбираем по справочнику [1] микросхему операционного усилителя К140УД21, имеющего следующие основные характеристики:

К = 1000000

Rн = 2 КОм

Iвх = 0.5нА

f1 = 20 МГц

Uсм = 60 мкВ

Uвых=10.5 В

Для неинвертирующего усилителя расчетными формулами являются:

Ку(jω)

K(jω)= --------------------------

1+Ку(jω)*γ
Zвх = R1 +Zвх диф [ 1+Ку(jω)*γ]

Z у вых

Zвых = -------------------

1+Ку(jω)*γ


R1

γ= -----------------

R1+R2
Для УПТ применяют приближенные уравнения:

Rвх=Rвх осΙΙ R3

R2

К (jω)=- ---------+1

R1
R1+R2

Zвых = Rвых-----------------

Куи*R1
Таким образом, для проектируемого усилителя имеем:

Uвых 10.5

Rвх=------------- = --------------------- =21 кОм

Куи * iвх 10⁶*0.5*10^-9
Rвх ос= Rвх(1+Куи* γ)=21*1000(1+500000)=10.5ГОм

Т.к.погрешность входного сопротивления отсутствует, допустимое изменение входного сопротивления не находим.

Rвх =Rвх ΙΙ R3

---