Ирина Эланс
Расчёт прецизионного усилителя напряжения
| Page 1 |
КУРСОВАЯ РАБОТА
По теме:
«Расчёт прецизионного усилителя напряжения»
Выполнил: Вотяков А., ст.гр.МП-31
Преподаватель: Балабанов А.А.
0W
Москва, 2013
| Page 2 |
Содержание
Введение
1. Техническое задание
2. Анализ технического задания
3. Расчёт и выбор операционного усилителя
4. Схема включения операционного усилителя
5. Выбор резисторов цепи О.О.С.
6. Расчёт погрешностей коэффициента усиления
7. Вывод
8. Список используемой литературы
9. Приложение
| Page 3 |
1. Техническое задание
Спроектировать прецизионный усилитель на операционных усилителях.
Параметры технического задания
1
Коэффициент передачи
К
0
7000
2
Нестабильность коэффициента усиления <
SK
0
1.1
%
4
Минимальная рабочая температура
Т •
mm
-30
•с
5
Максимальная рабочая температура
т
max
+70
'С
7
Нижняя граничная частота <
/„
130
Гц
8
Верхняя граничная частота >
Л
12
кГц
9
Нестабильность уровня АЧХ на нижней частоте <
м
н
0.07
ДБ
10
Нестабильность уровня АЧХ на верхней частоте <
м
в
0.09
дБ
11
Сопротивление нагрузки
R„
2.4
кОм
12 Амплитуда входного сигнала
Ubx
max
0.45
мВ
13
Потребляемая мощность <
Prior
1.1
мВт
14
Входное сопротивление >
R
Bx
11
кОм
2. Анализ технического задания
Как можно видеть из требований, данный усилитель является прецизионным.
Соответственно резисторы, отвечающие за коэффициент усиления каждого каскада
должны быть также прецизионными.
| Page 4 |
3. Расчёт и выбор операционного усилителя
Расчёт прецизионного усилителя следует начинать с выбора типа
операционного усилителя. Основные параметры операционного усилителя должны
удовлетворять условиям:
1. максимальное выходное напряжение ОУ U
Bblx:
U
BbIX
> 1.2U
mBbIx
.
max
= 1.2Ко и
твх
,
та х
= 1.2*7000*0.45* 10"
3
= 3.78 В;
2. Скорость нарастания выходного напряжения ОУ:
V
u вых
> 27if
B
U
m
вых. max = 2*3.14* 12000* 10= 0.238 В/мкс;
3. Допустимое сопротивление нагрузки ОУ(приводится в паспорте на
микросхему)
R
H
m i n < R
H
= 2 . 4 к О м ;
4. Величина напряжения источника питания
U
n
> U
BbIX
+2В = 5 В.
Выберем типовое значение источника питания в 20 В, U
n
= 20 В;
5. Нестабильность коэффициента усиления ОУ 5К можно определить из
следующей формулы
| Page 5 |
ж. I
2
(SIC
Tj
•AT
max?
5K
где
_ температурный дрейф коэффициента усиления равный 1 %/°С,
ДТ
мах
. максимальный интервал температур
ДТ
мах
=100 °С
5К = 0.5*1%/°С*100°С =50%;
Теперь, пользуясь полученными данными, рассчитаем для различных п' (число
каскадов в ПУ), начиная с единицы, величину SK
R
- относительную погрешность
коэффициента усиления ПУ, обусловленную неточностью резисторов в цепи ООС и
их нестабильностью. Для этого воспользуемся формулой (принимая К=50000 ):
(8К
а
5К ,
п
К
4кЛ>\дк
к
n' = 1, W =-5.9%
п' = 2,
= 0.467 %
п' = 3,
= 0.02 %
Выбираем
соответствующую п' = 3, т.к. при меньшем числе каскадов не
удаётся подобрать ОУ из-за слишком большого тока потребления. Теперь, зная
число каскадов, можно рассчитать частоту единичного усиления f\. Рассчитывается
она по формуле:
, ^12-10
3
-У7000
/ >—I
= - = 33.12МГц
Ж
0209-1
| Page 6 |
Ток, потребляемые ОУ 1
пот
(величина 1
пот
приводится в паспорте на
микросхему) определяется как
I,
пот
<
V
пот —
f
\mmW
3150шК
20F
pi • 24000hm
= 9.1mA
Итак, получены следующие параметры необходимые для выбора подходящего
Согласно имеющимся справочным данным наиболее подходящий полученным
требованиям и требованиям технического задания оказывается усилитель
К140УД23. Приведём ряд данных по этому усилителю.
Напряжение смещения нуля U
CM
= 10 мВ;
Входные токи 1
ВХ=
0.2 нА;
Частота единичного усиления fj = 10 МГц;
Скорость нарастания выходного напряжения
V
U B b
,x
=
30 В/мкс;
Коэффициент ослабления синфазного сигнала
К
0 С С
ф
= 80дБ;
Максимальное выходное напряжение U
BbIx
.
Max =
12 В;
Входное сопротивление R
BX
= - МОм.
Выходное сопротивление R
H
= - кОм.
Напряжение питания Un = ±5 ^ ±20 В
Ток потребления
1
ПО
т
=
Ю
М
А
ОУ:
U
BbIX
>3.78В; У
ИВЫХ
>0.238
В/мкс;
R„=2.4KOM;
fj<33.12 МГц;
1
П0Т
<9.1
мА
| Page 7 |
4. Схема включения операционного усилителя.
Схема включения операционного усилителя К140УД12 приведена на рис.1.
И Т
]7 Выход
сод 4
у
т
i o J
. J »
К140УД23
Й
Б
= 220 КОМ
Выберем Kj = 18.95; К
2
= 18.95; К
3
=19.4.
Для регулировки смещения нуля следует поставить подстроечные резисторы
R7=R8=R9=220KC)M.
5.Выбор резисторов цепи О.О.С.
Теперь необходимо выбрать тип и номиналы резисторов R] - R
9
. В силу того,
что проектируемое устройство - прецизионный, т.е. высокоточный усилитель,
резисторы следует выбирать так же прецизионные, т.е. имеющие малые допуски
8R(0.05-rl)%.
Наиболее
подходящей
будет
серия
С2-29В
-
это
металлодиэлектрические изолированные резисторы предназначенные для навесного
монтажа. Для данного в техническом задании температурного диапазона устройство
л
будет иметь допуск 5R = 0.1%, минимальная наработка на отказ 25*10 часов,
сопротивление изоляции в нормальных климатических условиях не менее 10
11
Ом,
уровень собственных шумов достаточно мал и достигает 1мкВ/В.
Для прецизионного усилителя возможны две схемы включения ОУ -
неинвертирующая и инвертирующая. При низком значении сопротивления
источника входного сигнала во входном каскаде следует использовать
инвертирующий усилитель, при высоком неинвертирующий. По техническому
заданию сопротивление источника сигнала больше 11 кОм, т.е. достаточно низкое,
| Page 8 |
следовательно будем использовать схему включения инвертирующего усилителя.
Коэффициент усиления инвертирующего усилителя при идеальном ОУ
определяется по формуле
v -
R
2
Исходя из этого и учитывая, что коэффициент усиления первого и второго
каскадов Ki=K2=18.95, а третьего К
3
=19.4, выбираем следующие номиналы
резисторов:
RL = 20KC)M;R4 = 379 кОм - резисторы в цепи обратной связи первого каскада.
R2
= 20
KOM;R5
= 379 кОм - резисторы в цепи обратной связи второго каскада.
R3 = 20 KOM;R6 = 388
кОм - резисторы в цепи обратной связи третьего
каскада.
R7=R8= R9=220 кОм
б.Расчёт погрешностей коэффициента усиления
Коэффициенты усиления, приведённые выше, соответствуют идеальному
усилителю, в реальном же естественно будет сказываться влияние некоторых
характеристик, считаемых ранее идеальными. Так при расчёте коэффициентов
усиления возникает погрешность £
к
связанная с отклонением параметров ОУ от
идеальных
К
D L
1 О Q C
=
= - f = - ^ Г = "0.000185%
к
R*
194
е , = - - = — = -0.000194%
к3
К
ю
5
| Page 9 |
В итоге:
е
к
= 0.000564%
Произведём теперь оценку погрешности за счёт конечного значения
ослабления синфазного сигнала. Искомая погрешность для инвертирующего
усилителя будет определяться по формуле
1
В усилителе К140УД23 значение
К
0 С С
ф
достаточно высокое
(К
0СС
ф
=
80дБ) т.е
данная погрешность будет низкой
е
с
=
100 % = 0.01 %
с
10000
Кроме погрешностей, обусловленных неидеальностью параметров ОУ
возникает погрешность за счёт разброса значений резисторов в цепи О.О.С. Для
неинвертирующего усилителя данная погрешность равна
Были выбраны прецизионные резисторы, по этой причине данная погрешность
достаточно мала:
s
R
=
(0.1% + 0.1%)= 0.2%
379
| Page 10 |
В процессе эксплуатации коэффициент усиления ПУ может меняться из-за
влияния температуры окружающей среды. Температурная
нестабильность
коэффициента усиления 8тк вызвана в основном изменением коэффициента
усиления ОУ и номиналов резисторов Rj и R
2
. £тк определяется по следующей
формуле
SK
6тк
~
К
К
ид
где 8К - относительное изменение коэффициента усиления в заданном
диапазоне температур. Исходя из условий технического задания определим 8
ТК
е
тк
= ^ - ^ = 0.025%
тк
^
50
Такие результаты получаются для всех каскадов. Окончательно для всех
каскадов в целом имеем е
Т
к
=
0.075%
Так же следует учесть погрешность, связанную с температурным
коэффициентом резисторов. Формула погрешности £
TR
одинакова для обеих схем
включения и выглядит следующим образом
= — • (ТКС
2
- ТЩ) • АТ
ШХ
Ъ
г™ = 3
• [(±25 • 10"
6
± 25 • 10"
6
)- Ц • 100°С • 100% « ±0,142%
1К
, 20
0
1+
L
379
| Page 11 |
Теперь после определения всех основных погрешностей влияющих на
коэффициент усиления ПУ можно рассчитать их суммарную погрешность. Она
будет определяться простой суммой всех вышеперечисленных погрешностей.
8 = Е
к
+ е
с
+ 6R + Етк + STR = 0.000564% + 0.01% + 0.2% + 0.075% + 0.142% =
0.428%
7.Вывод
Разработанная схема - прецизионный усилитель на трёх каскадах - полностью
удовлетворяет условиям технического задания. Она разработана на операционных
усилителях.
| Page 12 |
8.Список используемой литературы
1. Под редакцией
В.А. Кустова:
"Методические
указания
к
курсовому
проектированию по радиоэлектронике", М. 2004г.
2. Операционные усилители Справочник, том 1 М.,"Физматлит", 1993 г.,240 с. -
ISBN 5-02-015113-0
3. Бодиловский В.Г., Смирнов М.А. Справочник молодого радиста. — 3-е. перераб.
и доп.. — М.: Высш. школа, 1976.
| Page 13 |
9.Приложение
Поз.
обозн.
Наименование
Кол
Примечание
U1.U2.U3 LF157H/883
3 Аналог К140УД23
R1.R2.R3 Резистор С2-29 в-0.062-20к0м ±0.1%-1.0-А
3
ОЖО 467.099ТУ
R4.R5
Резистор С2-29 В-0.062-377кС)м ±0.1%-1.0-А
2
ОЖО 467.099ТУ
R6
Резистор С2-29 в-0.062-388к0м
±0.1%-1.0-А
1
ОЖО 467.099ТУ
R7.R8.R9 СПЗ-Зва-0,125 Вт-220 кОм 0Ж0.468.351ТУ
3
Изм Лист
№ докум
Подпись Дата
Разраб.
Вотяков А.Г.
Прецизионный усилитель
напряжения
Перечень элементов
Лит.
Лист
Листов
Провер.
Балабанов А.А.
Прецизионный усилитель
напряжения
Перечень элементов
У
14
Реценз.
Прецизионный усилитель
напряжения
Перечень элементов
МП-31
Н. Контр.
Прецизионный усилитель
напряжения
Перечень элементов
МП-31
Утверд.
Прецизионный усилитель
напряжения
Перечень элементов
МП-31
| Page 14 |
•Н1ПИ Т
