Файл: Курсовая работа проектирование операционного усилителя.doc

10.5*10⁶*R3

----------------- >10⁶

10.5*10⁶+R3
1 1 1

------- +-----------= -------------

10.5*10⁹ R3 1*10⁶
1/ R3=0.999905/10⁶

R3=1000095

Резистор R3 служит для уменьшения дрейфа нуля, вызванного колебаниями входных токов (Iко транзисторов, установленных в ОУ на прямом и инверсном входах), в основном по причине изменений окружающей температуры. Этот дрейф будет минимален при равенстве сопротивлений, установленных на входе, т.е.

R3=R1 ΙΙR2 и R1=R2 :

R1=R2=500048

По ЛАЧХ (приложение 1) выбранной микросхемы ОУ находим

Ку(wн) = 10⁵

Ку(wв) = 2239

Таким образом, в результате расчета входной части усилителя имеем:

γ= 0.5

Ку ос = 1

Некоторые из полученных величин будут использоваться как входные для последующих каскадов усилителя.

Произведем оценку частотных искажений вносимых рассчитанным усилителем. Частотные погрешности вносятся всеми цепями усилителя, но обычно наибольшую их часть составляют искажения, вносимые выходным каскадом усиления. При проектировании усилителя принято ориентировочно задавать частотные искажения на уровне 15-25% ( Мв = 1,15-1,25 коэффициент частотных искажений на верхней частоте). Пусть

Мв=Мв вх*Мв пром*Мв вых = 1,2

Примем, Мв вых = 1,15 и Мв пром = 1,03,

тогда Мв вх = 1,2/1,15*1,03 = 1,013

Проверим, не превышает ли эту величину частотные искажения, вносимые входным усилителем

K(0)*[1+K(jw)* γ] 10⁶ (1+2239*0,5)

М

в вх = = ------------------------ =1,000896<1,013

[1+K(0)* γ]* K(jw) (1+10⁶*0,5)*2239
Условие выполнено!

2.2 Проектирование выходной части

Исходные данные

- амплитудное значение выходных напряжения и тока

- частотный диапазон

- выходное сопротивление

- частотные и нелинейные искажения

По этим данным выбираем схему выходного каскада. Выбранная схема может уточняться в процессе расчета.

В нашем случае:

Rн = 100 Ом

fн = 0 Гц

fв = 400 Гц

Uвых макс = 12 В

Эти данные показывают, что требуемые входные параметры могут быть получены с помощью интегрального ОУ с подключением на его выход составного эммитерного повторителя из n транзисторов. Определим n. Пусть ОУ имеет

Rн = 2000 Ом

Uвых = 10 в

Тогда амплитуда выходного тока ОУ

Iвых оу = 10/2000 = 5 ма

Для получения тока в нагрузке

Iн = Uвых/ Rн = 12/100 = 0.12А

Коэффициент усиления по току должен быть равен

К = Iн/ Iвых оу = 0.12/5*0.001=24

Т.к. h

_21э у транзисторов находится в диапазоне 20-50, то необходимо использовать в плече составного эммитерного повторителя один транзистор, т.к. он достаточно обеспечит требуемый К.

Теперь выберем тип транзистора. Их параметры выбирают так, чтобы при работе в режиме В они удовлетворяли неравенствам:

Uк макс < 0.5E < Uкэ макс

Iк < Iк макс

Pн макс < 0.25Uкэ макс*Iк макс

Pн макс < (2-3)Pк макс

Для нашего случая выбираем КТ815А, КТ814А с параметрами

Iк макс = 1.5 мА

Uкэ макс = 40 в

f

h_21э = 3 МГц

rб = 40 Ом

Оценим частотные искажения, вносимые выходным каскадом усиления, с помощь уравнения:
[1+h21э(jw)] (RэIIRн)

К

(jw) =

Rг+rб+[1+h21э (jw)] (RэIIRн)
В проектируемой схеме Rэ → ∞, а последовательно с Rн включены R6 или R7, являющимися сопротивлениями защиты от КЗ в нагрузке. Протеканием токов транзисторов VT1 и VT2 пренебрегаем ввиду их малости. Поэтому выходное Rвых оу + R3 являются сопротивлением Rг в уравнении (*):

[1+h21э(jw)] *Rн

К

(jw) = Ку *

Rг+[1+h21э (jw)]*Rн
Найдем К(jw) на частотах fн=0 и fв=400 Гц с тем,чтобы определить глубину ОС γ

K(0)*[1+K(jw)* γ]

К(jw) = = 1,15 (**)

[1+K(0)* γ]* K(jw)
Выберем для нашего выходного каскада ОУ типа КР140УД6. Его параметры:

Ку = 50000 Uсм = 5 мВ

F1 = 1 МГц R вх диф = 2МОм

Iвх = 0.03 мкА ∆Iвх = 0.01мкА

U _v вых = 2.5 В/мкс Kос сф = 70 дб

Uвых макс =12В Rн мин = 2 кОм

Uвх сф = 11В Uп = 15В

Iп =2.8 ма

Для ОУ Rвых (без ОС) составляет несколько десятков Ом. При наличии ОС

Rвых

R вых оу = ------- = 0

1+Ку* γ
Построим для выбранного ОУ ЛАЧХ(приложение 2): К(w_н)=50000, а К(w_в)=3981. Найдем при R3=1000Ом.

[1+20] *100

К

(wн) =50000 * = 33871

1000+[1+20]*100
[1+20] *100

К

(wв) = 3981* = 2697

1000+[1+20]*100
Подставим в (**)
33871*[1+2697* γ]

= 1,15

[1+33871* γ]* 2697
γ =0.00225 <<1 ,

следовательно можно получить частотные искажения меньше заданных, что говорит о правильном выборе выходного транзистора.

Оценим входное сопротивление плеча эммитерного повторителя:

Rвх = rб + [1+h21э] *Rн = 40 + 21*100 = 2140 Ом

Резисторы Rвх и R3 составляют делитель, поэтому на базах VT1 и VT2 будет Uвх равное

[1+20] *100

Ку = = 0.9813

40+[1+20]*100
Тогда

Uн 12

Uвх = -------- = ----- ----= 12.23 В

Ку 0,9813
Rвх+R3 3000 + 2140

Uвых оу = Uвх -------- = ------------------*12.23 = 17.94 В

Rвх 2140
Полученное значение требуемого выходного напряжения ОУ говорит о том, что для данного случая следует применить высоковольтный ОУ типа 1408УД1. У этого ОУ Uвыхмакс = 21 в. Проверим, обеспечивает ли выбранный ОУ амплитуду 17.94 В на частоте fв=400 Гц . Скорость нарастания выходного напряжения для данного ОУ 2в/мкс, тогда на частоте 400 Гц получим:

10⁶

Uвых оу = 2---------- = 5000 в

400
Эта величина значительно больше паспартной, значит выбранный ОУ обеспечит получение требуемой амплитуды с частотой 400 Гц.

Резисторы R4, R5 выбираются из условия перевода VT1 и VT2 в режим работы АВ для устранения нелинейных искажений. По входной характеристике Uбэ нас = f(Iб) при токе покоя транзисторов.

Iкп 0,5

Iбп = ---------- = ------ = 0,025 мА

h21э 20
Получаем Uбэ = 0,5 в, как часть необходимого смещения. Коллекторный ток покоя для работы в режиме АВ следует задавть на уровне 0,2-1 мА при R6=100 Ом. Мы приняли Iкп = 0,5 мА. Этот ток создает на R6 падение напряжения

U=R6* Iкп =100*0,5 = 50 мВ = 0,05 В.

Тогда напряжение смещения должно быть

Uсм>=Uбэ + U = 0,5 + 0,05 = 0,55 В

Ток цепи, обеспечивающий такое напряжение смещения, обычно выбирается в 5-10 раз больше тока базы Iбп. Таким образом, ток через R4, R5 равен 0,025*10=0,25мА. По справочнику выбираем диод, на котором при данном токе падение напряжения будет равным

Uсм

Uд = ----- --, где n – количество последовательно включенных диодов.

n
Используя ВАХ выбираем диод, у которого при токе порядка 250 мкА падение напряжения равно 0,4-0,6 В. Для нашего случая подойдет диод типа КД520А.

Значение R4, R5 находим из уравнения

E – Uсм 15 - 0,6

R4=R5= ------------ = ------------- = 57,6 кОм

Iд 0,25

2.3 Проектирование промежуточной части.

Исходные данные

- амплитуда требуемого выходного напряжения и тока

- допустимое сопротивление нагрузки для входной части

- коэффициент усиления

- частотные и нелинейные искажения

По этим данным выбираем схему промежуточной части усилителя. Выбранная схема должна обеспечивать получение требуемого коэффициента усиления.

Ку

Кпром = -------

Квх*Квых
Амплитуда выходного напряжения определяется исходя из уже известных параметров выходного каскада:

Uвых

Uвых пром = --------

Квых
При расчете выходной части было получено минимальное значение γ, которое обеспечивает частотные искажения не превышающие 15%. Если брать γ более этой величины, то глубина ОС увеличивается и частотные искажения уменьшаются. Значение γ определяет выбор сопротивлений R1 и R2 выходного каскада, которые в свою очередь, дают значение Квых. Максимально допустимое значение суммы (R1+R2) определяется током смещения ОУ К1408УД1(построение ЛАЧХ – приложение 2), выбранного в качестве предусилителя выходной части. Разумно предположить, что ток через R1 и R2 равен (10-20)Iсм, при Uвых = Uп/2.

Ток смещения равен
Есм*Ку*Iвх 5*10³*50000*0.02*10^-6

Icм = ----------------- = --------------------------------- = 0,238 мкА

Uвых 21
Тогда максимальное значение суммы

Uп/2

(R1+R2) = --------- = 2,836 МОм

20 Iсм
Обычно стремятся использовать более низкие значения суммы сопротивлений, чтобы свести к минимуму температурные шумы, которые пропорциональны сопротивлению, т.е. если в схеме можно использовать сопротивления 100 КОм или 1Мом, то предпочтение следует отдать сопротивлению 100 Ком.

Минимальное значение суммы (R1+R2) ограничивается выходным током ОУ. В нашем случае это несущественно, т.к. мы используем усилитель тока, с выхода которого очень небольшая часть отводится в цепь R1, R2. Обычно значения суммы (R1+R2) лежат между 100 Ком и 1Мом. Исходя из изложенного выберем значения

γ =0,001. Тогда, принимая R1 = 50Ком, получим

R1(1- γ)

R2 = ------------ = 3345КОм

γ
Проверим коэффициент частотных искажений для выбранного γ
50000 3981 950

К(wн) = -----------------=970K(wв) = ----------- = 780Мв = ----- =1,11<1.15

1+50000*0,001 1+3981*0.001 730

Найдем Квых

Ку

Квых = ---------- = 980.4

1+Ку* γ
Тогда

Ку 60000

Кпром = ------------- = ----------- = 61.22

Квх*Квых 1*980
Эти данные могут быть получены с помощью ОУ КР140УД7. Его параметры:

Ку = 50000 Uсм = 4 мВ

F1 =0.8 МГц Uп = 15В

Iвх = 200 нА ∆Iвх = 50нА

U _v вых = 10В/мкс Kос сф = 70 дб

Uвых макс =12В

Uвх сф = 11В

Iвых =20 ма

Берем по аналогии с входной и выходной частями схему включения неинвертирующего усилителя. Для него необходимо определить величины R1 и R2. Определим γ из выражения

Ку 50000

К пром=Кос=--------------- = ---------------------- =61

1+Ку* γ 1 +50000* γ

Тогда γ=0.016

Учитывая, что

R1

γ=--------------- и принимая R1=50кОм, получаем R2=3017кОм

R1+R2

2.4 Проектирование источника питания

Расчет всего ОУ заканчивается определением требований к его источнику питания, то есть осуществляем проверку того

, что каждый из заданных параметров в текущем задании обеспечивается.

Для этого нужно определить:

Мощность, потребляемую усилителем.
Напряжение, необходимое для питания отдельных частей усилителя.
Токи, которые должны давать источники отдельных напряжений.

Для питания входной и промежуточной частей необходимо одно ито же напряжение питания:

Uпит = 15 В

Для питания выходной части

Uпит = 15В

Токи для различных частей усилителя:

Для входной и просежуточной частей:

Iп = 7 мА

Для выходной части:

Iп = 3 мА

В схеме источника нужно предусмотреть наличие полярной емкостей полярной и неполярной. Их наличие обуславливается тем, что в цепи присутствуют пульсации. Для их ограничения используются емкости (полярная емкость для ограничения низкочастотных пульсаций, а неполярная – высокочастотных).

Их значения выбираются для полярной емкости 1000 мкФ, а для неполярной до 500 пФ.
Источник сети составляет 220 В, с частотой 50 Гц. Трансформатор выбираем по мощности, которую определяем следующим образом – определяем сколько потребляет каждый каскад и складываем.

P= ∑Еп*Iп= Е1*Iп1+E2*Iп2+Uвых²/Rн = 15*7/1000+15*3/1000+144/100 = 1.59 Вт

Рн = 2*Рн = 3.18 Вт

Теперь выбираем трансформатор ТПП 216

Рт = 3,25 Вт

Ток на вторичной обмотке 0.072 А

Для выпрямления полученного с трансформатора напряжения служит двухполупериодный выпрямитель, для него необходимо произвести выбор диодов по обратному напряжению и прямому току.

Выберем диод КТ103А

Iпр =0.1 А

Uоб = 20 В

Произведем выбор стабилизатора для выходной, промежуточной и входной частей усилителя. Необходимо учесть, что два диода на диодном мосте дают падение напряжения примерно 1,4 В, к этому необходимо прибавить 1В, теряемый на вторичной обмотке трансформатора.

U вх стаб = Uпит + 2,5 В

Ждя входной и промежуточной частей усилителя выберем стабилизатор КР142ЕН8В

Его параметры:

U вых = 15 В

U вх = 17,5 – 30 В

I вх = 1,5 А

Для выходной части выберем стабилизатор:

КР 142ЕН9В

U вых = 27В

U вх = 30 В

I вх =1,5 А

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Список литературы:

1.В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. Электроника и микропроцессорная техника. М: «Высшая школа», 2004г.

2.Ю.Ф.Опадчий, О.П.Глудкин, А.И.Гуров. Аналоговая и цифровая электроника. М: «Горячая линия - телеком», 2002г.

3. А.В.Нефедов. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. М.: «Радио-софт», 2000г.