Расчёт прецизионного усилителя напряжения
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 28 Ноября 2013 в 22:15, курсовая работа
Краткое описание
Спроектировать прецизионный усилитель на операционных усилителях. Как можно видеть из требований, данный усилитель является прецизионным. Соответственно резисторы, отвечающие за коэффициент усиления каждого каскада должны быть также прецизионными. Расчёт прецизионного усилителя следует начинать с выбора типа операционного усилителя.
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
Прикрепленные файлы: 1 файл
Московский институт электронной техники
КУРСОВАЯ РАБОТА
По теме:
«Расчёт прецизионного усилителя напряжения»
Выполнил: Вотяков А., ст.гр.МП-31
Преподаватель: Балабанов А.А.
0W
Москва, 2013
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
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.
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
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
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
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,
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
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
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
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.
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.
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
•Н1ПИ Т
Информация о работе Расчёт прецизионного усилителя напряжения