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

67977. Microsoft Excel 2007. Работа с формулами. Знакомство с элементами окна EXCEL 70.5 KB
  Выделение различных диапазонов: прямоугольного диапазона: выделить первую ячейку перетаскивание мышью или выделить первую ячейку на последней ячейке SHIFT щелчок. несмежных диапазонов: выделить первый диапазон выделить следующий при нажатой CTRL. Для установки ширины столбцов равной...
67978. Excel 2007. Работа с диаграммами. Вставка столбцов 161.5 KB
  Создание диаграммы на рабочем листе Выделить несмежные диапазоны например содержащие фамилии данные за четверти и за год включая строку шапку таблицы для выделения несмежных диапазонов использовать клавишу CTRL. Редактирование диаграммы Выполнить следующие изменения в диаграмме.
67979. Excel 2007. Работа со списками 41.5 KB
  Работа со списками В Excel имеются средства для обработки данных организованных по принципу баз данных функции списка основные операции которых сортировка данных и поиск определенной информации. Если будет обнаружен текст первые символы которого совпадают...
67980. Microsoft Excel 2007. Графические объекты, макросы. Создание графических объектов с помощью вспомогательных приложений 216 KB
  Создание объектов при этом производится с помощью последовательности действий: Вставка Иллюстрации Выбор необходимого приложения. Рисование в Excel С помощью команды Вставка Иллюстрации Фигуры в Excel можно создавать свободно позиционируемые объекты не привязанные к структуре рабочего листа.
67981. Изучение особенностей протокола RIP сетевого уровня OSI 129.5 KB
  Задача маршрутизации подбора оптимального маршрута решается на основе анализа таблиц маршрутизации размещенных во всех маршрутизаторах и конечных узлах сети. Для автоматического построения таблиц маршрутизации маршрутизаторы обмениваются информацией о топологии составной сети в соответствии со специальным служебным протоколом.
67982. Регуляция водно-солевого гомеостаза 593 KB
  Действительно ион натрия удерживая молекулы воды определяет объем и осмолярность жидкостей внутренней среды и обеспечивает целый ряд жизненноважных функций. Он усиливает в почечных канальцах реабсорбцию натрия что приводит к задержке этого иона в организме.
67984. ФОРМИРОВАНИЕ ЧУВСТВА СОТРУДНИЧЕСТВА У ДЕТЕЙ ДОШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА 133 KB
  Определить сущность понятий «сотрудничество» и «взаимодействие», ознакомиться с процессом развития взаимодействия и общения детей со сверстниками в современной педагогике и психологии; рассмотреть сотрудничество детей дошкольного возраста со сверстниками во время игровой деятельности...