Реферат: Предварительный усилитель с использованием ОУ

Ступинский авиа-металлургический

техникум им. А.Т.Туманова

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙУСИЛИТЕЛЬ

СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ “ОУ”

АВТОР: Иванов И.И.

ГРУППА: Э — 7

ПРЕДМЕТ: “Аналоговая схемотехника”

г. Ступино,

1997.

Содержание

Введение 2

1

Теоретическаячасть 3

1.1

Классификация усилителей 3

1.2

Принципиальная схема

операционногоусилителя (ОУ) 5

1.3

Основные параметры ОУ 5

1.4

Схемы включения ОУ 10

2

Расчетнаячасть 12

2.1

Исходные данные 12

2.2

Расчет элементов схемы 12

2.3

Разработка печатной платы 16

Список используемой литературы 18

Введение

Микроэлектроника- это область электроники, занимающаяся созданием электронных узлов, блоков иустройств в миниатюрном интегральном исполнении.

Ходразвития электроники был предопределен резким увеличением функций, выполняемыхРЭА и повышением требований к ее надежности.

Прогресстехнологии и схемотехники, позволивший создать новую элементную базу, был в60-70 годах столь быстрым, что он проявился не только во многих устоявшихсятерминах радиоэлектроники, но значительно пополнил ее словарный запас.

В 1971г. был разработан Государственный стандарт по терминологическим вопросам (ГОСТ17021-71). Он включил 16 терминов, причем наряду с общими понятиями были даныоднозначные определения и для частей микросхем.

В 1979г. был утвержден стандарт СТ СЭВ 1023-79 по терминам и определениям в областимикроэлектроники, и в соответствии с этим были введены изменения в ГОСТ17021-75, а в 1987 г. был выпущен ГОСТ 27394-87, в 1988 г. — ГОСТ 17021-88.

Интегральнаямикросхема — микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функциюпреобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющеевысокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и (или)кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке иэксплуатации рассматривается как единое целое.

Элементинтегральной микросхемы — это часть интегральной микросхемы, реализующаяфункцию какого-либо радиоэлемента (например, транзистора, диода, резистора,конденсатора), которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки.

Большаяроль отводится радиоэлектронике в обеспечении высоких скоростей управления привысокой точности. В космонавтике, ядерной физике, вычислительной технике,кибернетики, электроэнергетике, на транспорте и во многих других отрасляхшироко применяют средства радиоэлектроники для управления и контроля самыхразличных процессов.

Основнымизадачами, которые должна решать радиоэлектроника, являются разработка исовершенствование ее элементной базы, особенно в области микроэлектроники(микросхемы, микропроцессоры и др.), внедрение последних достижений электроникив народное хозяйство, совершенствование технологии производства электронныхизделий и систем, повышение качества и надежности этих изделий и т.д.

1.Теоретическая часть

1.1.Классификация усилителей

1.1.1.Электронными усилителями называют устройства, предназначенные для повышениямощности входных электрических сигналов. При этом процесс усиления сигналовосуществляется с помощью усилительных элементов — транзисторов, обладающихуправляющими свойствами.

Маломощныйвходной сигнал управляет расходом энергии источника питания значительнобольшего уровня мощности.

Обобщеннаясхема усилительного каскада приведена на рис. 1.

1.1.2.По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности.

Ввыходной цепи усилителя напряжения действует сигнал, амплитуда напряжениякоторого равна <img src="/cache/referats/779/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

Ввыходной цепи усилителя тока действует сигнал, амплитуда напряжения которогоравна <img src="/cache/referats/779/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">

Усилителимощности обеспечивают заданное усиление в выходной цепи как по току, так и понапряжению.

1.1.3.В зависимости от характера изменения во времени входного сигнала различаютусилители постоянного и переменного тока. Для усилителей постоянного токахарактерно наличие усиления уже при нижней частоте <img src="/cache/referats/779/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027">

1.1.4.Если усиления одного усилительного элемента недостаточно, то в качественагрузки каскада используют входную цепь второго усилительного элемента и т.д.

Усилитель,содержащий несколько ступеней усиления, называют многокаскадным.

1.1.5.Рассмотренные принципы построения усилительных каскадов используют припроектировании интегральных микросхем аналогичного назначения. Технологическитакие усилители выполняют в виде монолитной схемы, содержащей все необходимыеэлементы в интегральном исполнении. Выполняемая ими функция описываетсяуравнением <img src="/cache/referats/779/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">

1.2.Принципиальная схема

операционногоусилителя (ОУ)

1.2.1.Операционные усилители (ОУ) в интегральном исполнении в настоящее времясоставляют основу аналоговых интегральных микросхем.

Принципиальнаясхема типового дифференциального ОУ приведена на рис. 3.

Приведенасхема первого поколения. Интегральные ОУ второго и третьего поколения болееразвитые и усовершенствованные.

1.2.2.Операционные усилители предназначены для выполнения математических операций прииспользовании его в схеме с обратной связью. Однако, область применения ОУ,выполненного в виде микросхемы, значительно шире. Поэтому в настоящее под ОУпринято понимать микросхему — усилитель постоянного тока, позволяющий строитьузлы аппаратуры, функции и технические характеристики которых зависят только отсвойств цепи обратной связи, в которую он включен.

1.3.Основные параметры ОУ

1.3.1.Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры:

1.Коэффициент усиления напряжения <img src="/cache/referats/779/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> — отношение изменениявыходного напряжения. В общем случае, коэффициент усиления ОУ, не охваченногообратной связью, равен произведению <img src="/cache/referats/779/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> всех его каскадов. Внастоящее время <img src="/cache/referats/779/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> некоторых усилителейпо постоянному току превышает 3*106. Однако его значение уменьшаетсяс ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная амплитудно-частотнаяхарактеристика (АЧХ) имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ.Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет наустойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС).Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотнойкоррекции — внешних нагрузочных RC-цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителяобычно требуется одна цепь, трехкаскадного — две. Многие ОУ последних выпусковне требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимыеэлементы.

2.Частота единичного усиления f1 — значение частоты входногосигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает доединицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу
усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного токапримерно в 30 раз.

3.Максимальное выходное напряжение Uвых.макс — максимальное значение выходногонапряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. Вотечественной практике этот параметр измеряется относительно нулевогопотенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону <img src="/cache/referats/779/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1032">2Uвых.Выходное напряжение измеряетсяпри определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузкивеличина Uвых.макс уменьшается.

4.Скорость нарастания выходного напряжения VUвых — отношение изменения Uвыхот 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за котороепроизошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ наступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общимкоэффициентом усиления от 1 до 10.

5.Напряжение смещения Uсм — значение напряжения, котороенеобходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно нулю.Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числомтранзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводитк появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе.Параметр Uсм помогает разработчикамрассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.

6.Входные токи Iвх — токи,протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токамивходных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевымитранзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивлениеисточника сигнала, создают падения напряжений, которые могут вызвать появлениенапряжений на выходе в отсутствие сигнала на входе.

7.Разность входных токов <img src="/cache/referats/779/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1033">10…20%. Зная разность входных токов,можно легко подобрать номинал балансировочного резистора.

Всепараметры ОУ изменяют свое значение — дрейфуют с изменением температуры.Особенно важными дрейфами являются:

8.Дрейф напряжения смещения <img src="/cache/referats/779/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1034">

9.Дрейф разности входных токов <img src="/cache/referats/779/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1035">

10.Максимальное входное напряжение Uвх — напряжение, прикладываемоемежду входными контактами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров заустановленные границы или разрушению прибора. В таблицах приводятся значения <img src="/cache/referats/779/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1036">

11.Максимальное синфазное входное напряжение Uвх.сф — наибольшеезначение напряжения, прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУотносительно нулевого потенциала, превышение которого нарушаетработоспособность прибора. В отечественной документации приводят модульвеличины Uвх.сф, а в зарубежной — диапазон.

12.Коэффициент ослабления синфазного сигнала Кос.сф- отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входамиОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.

13.Выходной ток — максимальное значение выходного тока ОУ, при которомгарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальноесопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивлениянагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУзначения емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резкоизменяются, и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.

Частовместо значения Iвыхв документации приводятминимальное значение сопротивление нагрузки Rн.мин. Большая часть ОУ,разработанных в последнее время, имеет каскад, ограничивающий величину входноготока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания илинулевой потенциал. Предельный выходной ток при этом — ток короткого замыкания Iк.зравен 25 мА.

1.3.2.Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основныхпараметров приборов: увеличенияf1,VUвых и др. Применяя схемотехническиерешения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значения“паразитных” параметров Uсм, Iвх, <img src="/cache/referats/779/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1037"> и ихдрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило, достичьмаксимального значения для всех параметров невозможно. Достижение максимальногозначения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так,увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижениечастотных свойств и наоборот.

Какрезультат поисков и эволюции схемотехнических и технологических решений былсоздан ряд ОУ, который согласно квалификации по ГОСТ 4465-86 делится на:

универсальные(общего применения), укоторых Куu=103…105; f1=1.5…10Мгц;

прецизионные(инструментальные) с Куu>0.5*106и гарантированными малымиуровнями Uсм<img src="/cache/referats/779/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1038">и егодрейфа;

быстродействующиесоскоростью нарастания выходного напряжения VUвых<img src="/cache/referats/779/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1039">/мкс;

регулируемые(микромощные) с токомпотребления Iпот<1 мА.

1.3.3.В зависимости от условий подачи на вход ОУ усиливаемого сигнала, а также сучетом подключения внешних компонентов можно получить инвертирующее инеинвертирующее включения усилителя. Любое схемотехническое решение сприменением ОУ содержит одно из таких включений. На рис. 2а приведена модельинвертирующего включения ОУ. Так как усиление ОУ очень велико, то с небольшойошибкой будем считать такую модель идеальной, что соответствует выполнениюусловий Ku<img src="/cache/referats/779/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1040">и Ki<img src="/cache/referats/779/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1041">0, где Kuи Ki — коэффициенты усиления по напряжению и току без обратной связи, а также Rвх<img src="/cache/referats/779/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1042">и Rвых<img src="/cache/referats/779/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1043">. В этом случае коэффициент ОУ будет равен:

Знак“-“ в уравнении указывает на инвертирование фазы (полярности) выходногосигнала.

На рис.2б приведена модель неинвертирующего ОУ. Принимая во внимание модель ОУидеальной, как и в предыдущем случаеKu<img src="/cache/referats/779/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1045">и Ki<img src="/cache/referats/779/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1046">,Rвх<img src="/cache/referats/779/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1047">и Rвых<img src="/cache/referats/779/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1048">, для данной схемы

Вданном случае знак “-“ отсутствует, так как фаза (полярность) выходного сигнала совпадает с фазой входногосигнала.

Входноесопротивление реального инвертирующего усилителя с учетом наличия обратнойсвязи велико:

где Rвх.м — собственноевходное сопротивление микросхемы;

Ku — коэффициент усилениямикросхемы без обратной связи.

Выходноесопротивление реального неинвертирующего усилителя мало

где Rвых.м — собственноевыходное сопротивление микросхемы.

1.4. Схемывключения ОУ

Принципиальнаясхема разрабатываемого усилителя может быть выполнена с использованиемдифференциальных микросхем следующих серий: К140,К153, К154, К544, К574 и др. На рис. 4 приведены некоторые схемы включениямикросхем серии К140. Данные цепейчастотной коррекции и цепей баланса взяты из справочной литературы попрактическому применению микросхем.

Цепичастотной коррекции предотвращают самовозбуждения усилителя, а цепи баланса прибольшом коэффициенте усиления позволяют в отсутствии входного сигналаустановить на выходе микросхемы напряжение равное нулю. Коэффициент усиленияданного каскада будет равен (как уже говорилось выше)

азначение R3выбираютравным R1.

2.Расчетная часть

2.1.Исходные данные

Предварительныйусилитель с использованием ОУ:

Предварительныйусилитель с заданными входными и выходными параметрами можно спроектировать,исходя из справочных данных, на микросхеме широкого применения К140УД1Б с дополнительной стабилизациейнапряжения питания до <img src="/cache/referats/779/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1055">

Принципиальнаяэлектрическая схема приведена на рис. 5.

2.2.Расчет элементов схемы

2.2.1.Коэффициент усиления по напряжению проектируемого усилителя должен быть равен:

Изуравнения видно, что <img src="/cache/referats/779/image048.gif" v:shapes="_x0000_i1058">R1выбираютот сотен ом до нескольких десятков килоом, а R2таким, которое обеспечит нужное соотношение R2/R1. Вданном случае, задачей является выбрать такие номиналы R2и R1, которые входят в рядвыпускаемых промышленностью номиналов.

Пользуясьсправочником выбираем:

Отсюда:

РезисторR3длявыравнивания входных токов микросхемы выбираем равным R1

2.2.2.Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ всегда выше внутреннегосопротивления ОУ и реально равно:

Длямикросхемы К140УД1А из справочника:

<img src="/cache/referats/779/image058.gif" v:shapes="_x0000_i1067">400КОм;

<img src="/cache/referats/779/image064.gif" v:shapes="_x0000_i1068"><img src="/cache/referats/779/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1069"> 1000.

Отсюда,<img src="/cache/referats/779/image066.gif" v:shapes="_x0000_i1070">

Дляполучения заданного входного сопротивления (500КОм),вход усилителя нужно зашунтировать сопротивлением R4(подключитьпараллельно входу).

Тогда <img src="/cache/referats/779/image066.gif" v:shapes="_x0000_i1072">

ВыбираяR4 = 1100КОм (1.1МОм)

2.2.3.Выходное сопротивлениереального усилительного каскада всегда меньше выходногосопротивления микросхемы:

<img src="/cache/referats/779/image076.gif" v:shapes="_x0000_i1076"><img src="/cache/referats/779/image076.gif" v:shapes="_x0000_i1077">= 700 Ом),

Дляполучения заданного выходного сопротивления усилителя (1000Ом), выходное сопротивление микросхемы должно быть равно:

Дляполучения такого выходного сопротивления микросхемы в выходную цепь микросхемыпоследовательно включаем резистор R8:

<img src="/cache/referats/779/image082.gif" v:shapes="_x0000_i1083">т.е.

РезисторR8такжебудет являться защитой выхода микросхемы от короткого замыкания.

2.2.4.Сопротивление нагрузки проектируемого усилителя по заданию составляет 500 Ом. При выходном сигнале 0.7 В, ток в нагрузке будет равен:

Длямикросхемы К140УД1Б максимальныйвыходной ток по справочнику составляет 3мА, что в два раза превышает расчетный.

2.2.5.Микросхема К140УД1Б питается отдвухполярного стабилизированного источника питания напряжением <img src="/cache/referats/779/image044.gif" v:shapes="_x0000_i1086"><img src="/cache/referats/779/image089.gif" v:shapes="_x0000_i1087">R6V1и R7V2.Стабилитроны V1и V2с напряжением стабилизации 12<img src="/cache/referats/779/image091.gif" v:shapes="_x0000_i1088"> и током стабилизации 10<img src="/cache/referats/779/image091.gif" v:shapes="_x0000_i1089">. Для этого подойдут стабилитроны КС212, КС213 или КС512, КС513.

Балластныерезисторы R6 и R7 при падении напряжения на них

обеспечиваютток порядка 15 мА (0.015 А) и имеют сопротивление равное:

2.3.Разработка печатной платы

Монтаждеталей усилителя производится на печатной плате размером 73*35 мм (рис. 6),выполненной из одностороннего фольгированного гетинакса или стеклотекстолита.Все детали должны подвергаться отбраковочной проверке. Изгиб выводов деталейпроизводится с радиусом не менее двух толщин вывода. При лужении выводовдеталей должны соблюдаться следующие параметры:

·

предельная температура припоя — <img src="/cache/referats/779/image099.gif" v:shapes="_x0000_i1093">

·

предельное время нахождения выводов врасплавленном припое — 2с;

·

минимальное расстояние от “тела” корпуса дограницы припоя по длине вывода — 1 мм;

·

предельно допустимое число погружений одних и техже выводов в припой — 2.

Необходимотщательно следить за тем, чтобы не образовывались перемычки между выводами,поверхность припоя должна быть сплошной, без трещин, пор, необлуженныхучастков. Паяная поверхность должна быть светлой или светло-матовой без темныхпятен и посторонних включений.

Списокиспользуемой литературы

1.А.К.Криштафович, В.В.Трифонюк. Основы промышленной электроники. — М.: Высшаяшкола, 1985

2.А.К.Касаткин, М.В.Немцов. Электротехника, 4-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1983

3.А.Г.Морозов. Электротехника, электроника, импульсная техника. — М.: Высшаяшкола, 1987

4.Подред. Б.В.Тарабрина. Справочник по интегральным микросхемам. — М.: Энергия, 1980

5.Ж.Марше. Операционные усилители и их применение. — М.: Энергия, 1985

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Проектирование модуля АФАР

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Проектирование схем телефонного сигнализатора

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

АЦП

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Цифровые фотоаппараты

29 Августа 2013