43024

Построение усилителя переменного тока на базе операционных усилителей

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Ульянова Ленина Кафедра САПР Пояснительная записка к курсовой работе “Построение усилителя переменного тока на базе операционных усилителей†Выполнил: Волох К. Введение 3 Техническое задание 4 Описание работы 5 Методика построения и расчета усилителя 8 Построение усилителя 9 Расчет усилителя 10 Заключение 11 Приложение: Принципиальная схема усилителя А4 Введение. В данном курсовике...

Русский

2013-11-01

213.5 KB

15 чел.

Министерство Образования РФ.

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет им. Ульянова (Ленина)

       Кафедра САПР

Пояснительная записка к курсовой работе

 Построение усилителя переменного тока на базе операционных усилителей

      Выполнил:

      Волох К.А. гр.1321

      Руководитель:

      Юрков Ю.В.

 

Спб. 2003 г.

   Содержание.

  1.  Введение          3
  2.  Техническое задание        4
  3.  Описание работы         5
  4.  Методика построения и расчета усилителя    8
  5.  Построение усилителя        9
  6.  Расчет усилителя         10
  7.  Заключение         11

Приложение:  Принципиальная схема усилителя (А4)

Введение.

Операционные Усилители позволяют создавать на своей основе основные схемы электроники: усилители, сумматоры, компараторы, инверторы интеграторы и т.д. Основная задача ОУ- усиление сигнала (увеличение амплитуды) с помощью источника опорного напряжения. Основные недостатки ОУ – это нестабильность при повышении температуры, но при этом ОУ потребляют мало энергии, что и определило их использование в различных схемах электроники.

В данном курсовике описана технология построения многокаскадного усилителя на основе ОУ марки К140УД7, изпользуя заданные параметры, для определения свойств усилителя.

Хотелось бы обратить внимание на роль существующего преобразования дискретных и аналоговых сигналов в электронике. Аналоговые сигналы отображают реальную характеристику какого-то процесса и преобразование их в дискретный без потерь практически не возможно, но аналоговый сигнал не удобен в хранении и обработке, не отличается быстродействием, хотя более точен, чем дискретный. Усиление аналоговых сигналов сопровождается серьезным схемотехническими решениями, решающих проблему быстрого преобразования сигнала и т.д.

   Техническое задание

Коэффициент передачи по напряжению усилителя    1580

Нижняя граничная частота пропускания усилителя   30 Гц.

Верхняя граничная частота пропускания усилителя   30 кГц.

Входное сопротивление усилителя      20 кОм.

Фазовый сдвиг напряжения на выходе усилителя   0 рад.

 

Параметры операционного усилителя К140УД7

Uсм           7.5 мВ.

Iвх           1.5 мкА.

Iвх р           0.5 мкА.

KU ОУ           15 В/мВ.

Uвых макс          10 В.

Rн мин           2.0 кОм.

fср           1.2 МГц.

Описание работы.

Целью работы является построение усилителя переменного тока на базе операционных усилителей типа К140УД7. При построении усилителей переменного тока наиболее распространены схема на базе инвертирующих и схема на базе неинвертирующих усилителей. В техническом задании на курсовую работу описаны основные параметры усилителя, полосы пропускания, входного сопротивления.

На базе ОУ можно выбрать две схемы построения усилителя:

- на базе инвертирующего решающего усилителя

- на базе неинвертирующего решающего усилителя

В первом случае входной ток подключается к “минусу” ОУ, во втором к “плюсу”.

Необходимо обеспечить запас устойчивости усилителя на частотах, не принадлежащих полосе пропускания.

 Схема инвертирующего решающего усилителя (РУ), представленная на рис. 1, а.

  

   Рис 1.

Наличие разделительного конденсатора С1 в данной схеме позволяет снизить напряжение покоя UВЫХ 0 усилителя, так как в этом случае действует глубокая обратная связь по постоянному току и UВЫХ 0, обусловленное действием напряжения смещения UСМ среднего входного тока IВХ и разности входных токов IВХ. Р, определяется выражением

 

Если выбрать

  

то выходное напряжение покоя перестает зависеть от среднего входного тока, и выражение для UВЫХ 0 принимает вид

  

В данной схеме входное сопротивление RВХ и коэффициент передачи входного напряжения КU определяются соотношениями:

 

Поэтому при заданных KU и RВХ однозначно определяются  сопротивления резисторов R1, R2 и R3.

На рис. 1, б представлены асимптотические ЛАЧХ ОУ и инвертирующего РУ. Частоты fH и fB ограничивают участок полосы пропускания f=fBfH. Как видно из рис. 1, б, частота fB определяется частотными свойствами скорректированного ОУ и глубиной обратной связи по переменному току и может быть найдена по формуле

   

Частота fH связана с параметрами схемы соотношением

 

В тех случаях когда требуется обеспечить высокое входное сопротивление усилителя переменного тока  (более 105 Ом) пользуют неинвертирующий РУ, схема которого приведена на рис. 2, а.

В этой схеме необходимо использовать второй разделительный конденсатор С2, который служит для развязки по постоянному току от источника сигнала, так как этот источник может содержать постоянную составляющую.

Входное сопротивление такого усилителя определяется значением сопротивления резистора R2, равное в свою очередь сопротивлению резистора R3. Соблюдение этого условия обеспечивает получение минимального значения Uвых 0.

Основные соотношения для расчета данной схемы следующие:

   

       

Как видно, формулы для расчета емкостей конденсаторов С1 и С2 аналогичны, но значение емкости конденсатора С2 увеличено в 10 раз для того, чтобы избежать появления двух близлежащих полюсов передаточной функции KU(p).

    

   Рис 2.

Если необходимо обеспечить входное сопротивление более 106 Ом, то ни одна из описанных выше схем не может быть использована, так как не удается получить приемлемые значения Uвых 0. В этом случае следует воспользоваться схемой, представленной на рис. 2, б.

В отличие от: схемы, представленной на рис. 2, а, здесь резистор R2 включен по переменному току между входами ОУ, которые почти эквипотенциальны. Поэтому переменный ток, протекающий через резистор R2, весьма мал. Для оценки Rвх данной схемы может быть использовано соотношение

  

где КUкоэффициент передачи ОУ.

Основные соотношения для расчета данной схемы совпадают с (5.9) за исключением условия для выбора сопротивления резистора R2. Здесь для минимизации Uвых 0 необходимо обеспечить R3=R1+R2.

Обеспечение устойчивости усилителя

По критерию устойчивости Найквиста усилитель с общей ООС устойчив, если на частоте среза fСР, где модуль петлевого усиления Т(jf) равен единице, абсолютное значение дополнительного фазового сдвига T(f) по контуру обратной связи не превышает 180° (рассматриваются минимально-фазовые системы, устойчивые в разомкнутом состоянии). Как известно, для минимально-фазовой системы существует однозначное соответствие между ЛАЧХ (LT(f)=20lgT(jf)) и фазовой частотной характеристикой (ФЧХ) T(f), а именно: если наклон ЛАЧХ составляет ±20 дБ/дек, то фазовый сдвиг T(f) стремится к ±90°; если наклон ЛАЧХ составляет ±40 дБ/дек, то фазовый сдвиг стремится к ±180° и т.д.  Поэтому для устойчивости усилителя с общей ООС, как правило, необходимо, чтобы наклон ЛАЧХ петлевого усиления LT(f) в районе частоты среза fСР не превышал –40 дБ/дек. Если необходимо обеспечить значительный запас устойчивости усилителя по фазе (=180Т(fСР)>30–50), то целесообразно, чтобы в районе частоты fСР наклон ЛАЧХ LT(f) составлял –20 дБ/дек.

 Методика построения и расчета усилителя

1. Выбор структуры усилителя.

В усилителе необходимо обеспечить определенную полосу пропускания (30 – 30000 Гц). При использовании ОУ К140УД7 (его частота среза – 1200 кГц) нельзя обеспечить верхнюю граничную частоту при заданном коэффициенте усиления (fв~fсрU ), следовательно необходимо использовать несколько каскадов усилителей с меньшим коэффициентом усиления, включенных последовательно, т.к в этом случае заданный коэффициент усиления усилителя будет определяться произведением коэффициентов усиления на каждом каскаде.

2. Выбор числа каскадов усилителя.

Для обеспечения большей верхней частоты пропускания целесообразно выбрать коэффициенты усиления каждого каскада примерно одинаковыми.

Число каскадов будет определяться следующим решением:

KU=1.2*106/30*103=40; 40n=1580; n=2;

3. Выбор способа построения каскада.

Фазовый сдвиг сигнала на выходе усилителя должен равняться 0, следовательно, можно выбрать два каскада со схемой усиления на неинвертирующих РУ или два каскада со схемой усиления на инвертирующих РУ. Первый вариант применяется при необходимости обеспечения высокого входного сопротивления (более 105 Ом.), в данном усилителе  необходимо обеспечить входное сопротивление 2*104 Ом., значит, можно использовать второй вариант, но при этом второй вариант проигрывает в напряжении нулевого уровня из-за высокого сопротивления резистора обратной связи, поэтому лучше использовать схему с неинвертирующим решающим усилителем.

 

Построение усилителя

Схема структурного соединения двух каскадов представлена в Приложении.

Наличие разделительного конденсатора С1 позволяет снизить напряжение покоя Uвых 0 усилителя на первом каскаде, а С2 на втором каскаде.

Каскады включены последовательно для обеспечения умножения коэффициентов усиления каждого каскада, в результате общий коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов на каждом из каскадов. Значительное входное сопротивление влияет на напряжение нулевого уровня, по этому резисторы R3, R2, R5, R4 равны между собой. Конденсаторы С1 и С3 введены для увеличения обратной связи по постоянному току. С2 введен для защиты усилителя от постоянной составляющей сигнала на входе.  

Стабилизация устойчивости усилителя осуществляется с помощью уменьшения глубины обратной связи

Расчет

Определяем входное сопротивление усилителя для данной схемы включения каскада.

Rвх=Uвх/Iвх= R2; R2=20 кОм. ;

Выбираем значения R1, исходя из значения коэффициента усиления данного каскада.

R2=R3 = 20 кОм.(для уменьшения напряжения нулевого уровня)

R1=R3/(K1 -1)= 20*103/(39.75-1)=516 Ом. (Значение КU выбрано таким, чтобы fн и fв были немного больше (для компенсации погрешности асимптотической ЛАЧХ (3дб)))

С1=1/(fн*2π*R1)=10.2*10-6 Ф.

С2=1/(fн*2π*R2)=0.26*10-6Ф.

R4=R2= 20 кОм. ;

R2=R3 = 20 кОм.(для уменьшения напряжения нулевого уровня)

R6=R5/(K2 -1)= 20*103/(39.75-1)=516 Ом. (Значение КU выбрано таким, чтобы fн и fв были немного больше (для компенсации погрешности асимптотической ЛАЧХ (3дб)))

С3=1/(fн*2π*R6)=10.2*10-6 Ф.

Аналитический расчет схемы.

 

Выводы

При построении усилителя были получены навыки расчета инвертирующих и неинвертирующих схем. Проанализированы оптимальные способы построения усилителя при заданных условиях, проанализирована устойчивость усилителя.

Усилитель умеет основные характеристики:

Частота пропускания   30-30000 Гц.

Усиление переменного тока   1580

Сдвиг по фазе на выходе сигнала 0 рад.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33363. Состав и назначение элементов процессорного ядра, характеристика ОМК АТ90S8515 31 KB
  Организация памяти микроконтроллера Память микроконтроллеров VR семейства Clssic выполнена по Гарвардской архитектуре в которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных но также и шины доступа к ним. В связи с тем что регистровая память находится в адресном пространстве ОЗУ об этих двух областях памяти обычно говорят как об одной. 6 регистров общего назначения R26 R31 X Y Z используется в качестве указателей при косвенной адресации памяти данных. Каждый регистр файла имеет свой собственный адрес в...
33364. Структура памяти ОМК АТ90S8515 30.5 KB
  Причем память данных состоит из трех областей: регистровая память статическое ОЗУ и память на основе EEPROM. В связи с тем что регистровая память находится в адресном пространстве ОЗУ об этих двух областях памяти обычно говорят как об одной. Память программ Память программ ёмкостью 4 К 16разрядных слов предназначена для хранения команд управляющих функционированием микроконтроллера.
33365. Порты ввода-вывода ОМК АТ90S8515 31.5 KB
  Конфигурирование каждой линии порта задание направления передачи данных может быть произведено программно в любой момент времени. Обращение к портам ввода вывода Обращение к портам производится через регистры ввода вывода причем под каждый порт в адресном пространстве ввода вывода зарезервировано по 3 адреса. По этим адресам размещаются три регистра: регистр данных порта PORTx регистр направления данных DDRx и регистр выводов порта PINx. Действительные названия регистров и их разрядов получаются подстановкой названия порта вместо...
33366. Таймер/счётчики ОМК АТ90S8515 38 KB
  Как правило эти выводы линии портов ввода вывода общего назначения а функции реализуемые этими выводами при работе совместно с таймерами счетчиками являются их альтернативными функциями. Выводы используемые таймерами счетчиками общего назначения Название T90S8515 Описание T0 PB0 Вход внешнего сигнала таймера T0 T1 PB1 Вход внешнего сигнала таймера T1 ICP ICP Вход захвата таймера T1 OC1 Выход схемы сравнения таймера T1 OC1 PD5 То же OC1B OC1B То же TOSC1 Вход для подключения резонатора TOSC2 Выход для подключения резонатора ...
33367. Универсальный асинхронный приемопередатчик ОМК АТ90S8515 38.5 KB
  Управление работой приемопередатчика осуществляется с помощью регистра управления UCR. Текущее состояние приемопередатчика определяется с помощью регистра состояния USR. При чтении регистра UDR выполняется обращение к регистру приемника при записи к регистру передатчика. Работа передатчика разрешается установкой в 1 разряда TXEN регистра UCR UCSRB.
33368. Система прерываний ОМК AT90S8515 63 KB
  При возникновении прерывания микроконтроллер сохраняет в стеке содержимое счетчика команд PC и загружает в него адрес соответствующего вектора прерывания. По этому адресу должна находиться команда относительного перехода к подпрограмме обработки прерывания. Кроме того последней командой подпрограммы обработки прерывания должна быть команда RETI которая обеспечивает возврат в основную программу и восстановление предварительно сохранённого счетчика команд. Младшие адреса памяти программ начиная с адреса 001 отведены под таблицу векторов...
33369. Канал SPI (синхронный последовательный порт) 38.5 KB
  Выводы используемые модулем SPI Название сигнала T90S8515 Описание SCK РВ7 Выход mster вход slve тактового сигнала MISO РВ6 Вход mster выход slve данных MOSI РВ5 Выход mster вход slve данных РВ4 Выбор ведомого устройства Спецификация интерфейса SPI предусматривает 4 режима передачи данных. Эти режимы различаются соответствием между фазой момент считывания сигнала тактового сигнала SCK его полярностью и передаваемыми данными. Задание режима передачи данных Разряд Описание CPOL Полярность тактового сигнала 0 генерируются...
33370. Система команд и способы адресации памяти данных 76.5 KB
  При прямой адресации адреса операндов содержатся непосредственно в слове команды.4 5 бит слова команды рис. Прямая адресация одного регистра общего назначения Примером команд использующих этот способ адресации являются команды работы со стеком PUSH Rr POP Rd команды инкремента INC Rd декремента DEC Rd а также некоторые команды арифметических операций.d4 5 бит слова команды рис.
33371. Схема СУ на базе ОМК АТ90S8515. 28.5 KB
  Порт РА микроконтроллером используется как мультиплексированная шина адреса данных. Поэтому для сохранения младшего байта адреса необходимо использовать регистр адреса РА. Запись в регистр осуществляется по спаду сигнала LE формируемого автоматически микроконтроллером при обращении по адресам внешнего ОЗУ.