Расчет инвертирующего усилителя на интегральной микросхеме К140УД1Б
Обоснование выбора схемы усилителя с обратной связью. Построение его общей структурной и функциональной схем. Состав каскадов операционного усилителя. Назначение выводов микросхемы. Амплитудная, частотная и фазовая характеристики электронного устройства.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.10.2017 |
| Размер файла | 67,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Введение
- 1. Анализ научно-технической литературы
- 2. Обоснование выбора схемы усилителя
- 3. Описание
- 3.1 Общие сведения
- 3.1.1 Усилители
- 3.1.2 Обратная связь
- 3.2 Операционный усилитель К 140УД 1Б
- 4. Расчетная часть
- 4.1 Исходные данные
- 4.2 Расчет усилителя
- Заключение
- Список литературы
Введение
Микроэлектроника - область электроники, охватывающаяся проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения микроэлектронных изделий. Она интенсивно проникает во все сферы народного хозяйства и в радиолюбительскую практику. Не только специалисты, но и радиолюбители убедились в том, что радиоэлектронная аппаратура (РЭА) и простейшие устройства, созданные с применением интегральных микросхем (ИМС), обладают большой надежностью, малыми габаритами и массой.
Применение микросхем облегчает также расчет и проектирование функциональных узлов и блоков РЭА; рассматривая микросхему как "черный ящик" с определенными свойствами, разработчику РЭА или радиолюбителю нет необходимости производить расчеты режимов элементов ИМС, достаточно подать на нее установленные технической документацией электрические режимы, и он получит гарантированные на ИМС параметры.
Ход развития электроники был предопределен резким увеличением функций, выполняемых РЭА и повышением требований к ее надежности.
Прогресс технологии и схемотехники, позволивший создать новую элементную базу, был в 60-70 годах столь быстрым, что он проявился не только во многих устоявшихся терминах радиоэлектроники, но значительно пополнил ее словарный запас.
В 1971 г. был разработан Государственный стандарт по терминологическим вопросам (ГОСТ 17021-71). Он включил 16 терминов, причем наряду с общими понятиями были даны однозначные определения и для частей микросхем.
В 1979 г. был утвержден стандарт СТ СЭВ 1023-79 по терминам и определениям в области микроэлектроники, и в соответствии с этим были введены изменения в ГОСТ 17021-75, а в 1987 г. был выпущен ГОСТ 27394-87, в 1988 г. - ГОСТ 17021-88.
Интегральная микросхема - микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.
Элемент интегральной микросхемы - часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая выполнена нераздельно от кристалла или подложки и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требования к испытаниям, приемке поставке и эксплуатации (к электрорадиоэлементам относятся транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и др.)
Компонент интегральной микросхемы - часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке поставке и эксплуатации.
Кристалл интегральной микросхемы - часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки.
Большая роль отводится радиоэлектронике в обеспечении высоких скоростей управления при высокой точности. В космонавтике, ядерной физике, вычислительной технике, кибернетики, электроэнергетике, на транспорте и во многих других отраслях широко применяют средства радиоэлектроники для управления и контроля самых различных процессов.
Основными задачами, которые должна решать радиоэлектроника, являются разработка и совершенствование ее элементной базы, особенно в области микроэлектроники (микросхемы, микропроцессоры и др.), внедрение последних достижений электроники в народное хозяйство, совершенствование технологии производства электронных изделий и систем, повышение качества и надежности этих изделий и т.д.
Пояснительная записка содержит 20 страниц, в т. ч. 8 рисунков, 5 источников и одно приложение.
В данной работе произведен подробный расчет инвертирующего усилителя на микросхеме К 140УД 1Б (, , ), описана его принципиальная схема, а также схема его включения.
1. Анализ научно-технической литературы
В справочном пособии "Апериодические усилители на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет Валитов Р.А." [1] приведены основные сведения об электрорадиоматериалах, компонентах и элементах радиоаппаратуры, кратко рассмотрены устройство и принципы действия важнейших радиоустановок.
В справочнике "Радиоэлектронные устройства Горошков Б.И." [2] описаны практические схемы функциональных узлов, которые могут быть использованы в устройствах приемно-усилительной генераторной технике, даны описания этих схем и основные характеристики, определяющие область их применения. Данный источник будет использован для основного расчета усилительного каскада.
В учебном пособии для вузов "Основы промышленной электроники Криштафович А.К." [3] приведены основные параметры и характеристики усилительных устройств, принципы их работы Описаны усилители, реализуемые по интегральной технологии. Изложены особенности устройств аналоговой обработки сигналов на основе операционных усилителей. Отражены аспекты автоматизации проектирования.
В справочнике "Аналоговые интегральные микросхемы Кудряшов Б.П." [4] приведены основные сведения об наиболее популярных классах аналоговых микросхем; таких как дифференциальные и операционные усилители весьма универсальные в применении, а также усилители высокой промежуточной и низкой.
В учебнике для вузов "Операционные усилители и их применение. Марше Ж.Г." [5] даются основные характеристики, принципы работы и расчет усилителей. Рассматриваются вопросы применения усилительных устройств в радиоэлектронике. Данный источник будет использован для изложения общих сведений об усилительных устройствах и об обратных связях и их влияниях на параметры усилительного устройства.
2. Обоснование выбора схемы усилителя
Большое количество различных типов ОУ, выпускаемых серийно, можно разбить на две большие группы по их элементной базе. Первая из этих групп, в которую входят в основном ОУ первого поколения, характеризуются использованием главным образом транзисторов типа n - p - n и большого количества резисторов, в то время как интегральные ОУ второй группы отличаются применением комплементарных структур (совокупностью транзисторов типа n - p - n и p - n - p) и резким уменьшением количества резисторов. К первой группе относятся трехкаскадные ОУ типа К 153УД 1, а ко второй - двухкаскадные типа К 140УД 1. Параметры ОУ второй группы значительно лучше. Так, у ОУ типа К 140УД 1 более широкий диапазон изменения входного дифференциального напряжения, простая схема компенсации смещения, встроенный конденсатор, обеспечивающий устойчивость ОУ для любой конфигурации и параметров цепи обратной связи. Кроме того, предусмотрена защита ОУ от коротких замыканий по выходу.
3. Описание
3.1 Общие сведения
3.1.1 Усилители
В зависимости от вида усиливаемых сигналов усилители подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов.
Всякий усилитель характеризуется полосой пропускания, равной разности граничных частот , которая в принципе должна соответствовать разности граничных частот сигнала . Поскольку требование пропускания всех частотных составляющих сигнала в ряде случаев может привести к значительному усложнению усилителя, а иногда и просто оказывается невозможным, на практике часто принимают , . Усилители, у которых нижняя граничная частота , называют усилителями постоянного тока, в отличие от усилителей переменного тока, для которых .
Широкополосными принято называть усилители, полоса пропускания которых превышает 20…50 кГц, т.е. достаточной для неискаженного усиления акустических сигналов (кГц). Усилители, предназначенные для усиления коротких импульсов, также относят к широкополосным.
В зависимости от типа усиленного элемента различают ламповые, полупроводниковые, магнитные, диэлектрические. Полупроводниковые усилители подразделяют на транзисторные и выполненные на интегральных микросхемах.
Усиление представляет собой процесс преобразования энергии некоторого ее источника в результате воздействия на него сигнала от источника энергии, называемого источником питания. Потребляется мощность , часть которой , называемая выходной мощностью, в преобразованном виде передается нагрузке. Для преобразования мощности , чаще всего в виде мощности постоянного тока, в мощность , как правило, переменного тока затрачивается мощность , получаемая от источника сигнала и называемая входной. Отсюда следует, что усиление представляет собой процесс увеличения мощности источника сигнала. Устройство, обладающее способностью увеличивать (усиливать) мощность источника сигнала, называется усилителем (рис. 3.1., и рис. 3.2.).
Рисунок 3.1. Общая структурная схема электронного усилителя: - мощность источника питания; - входная мощность; - выходная мощность
Рисунок 3.2. Функциональная схема электронного усилителя: - источник ЭДС источника сигнала; - входная мощность; - выходная мощность; - входной ток усилителя; - выходной ток усилителя; - входной ток усилителя; - выходной ток усилителя; - внутреннее сопротивление источника сигнала; - сопротивление нагрузки
3.1.2 Обратная связь
Обратной называется связь, при которой происходит передача сигнала (напряжения, тока) из выходной цепи усилителя во входную (рис. 3.3). В усилительных устройствах обратная связь (ОС) используется для уменьшения искажений и повышения стабильности усиления и режима работы усилительных элементов. Как видно (рис. 3.3), в узле 1 вкладываются сигналы (напряжения и токи), поступающие от источника сигнала и с выхода усилителя. Если фазы этих сигналов совпадают, то общая их амплитуда возрастает по сравнению с амплитудой входного сигнала как в узле 1, так и в узле 2 - в этом проявляется влияние положительной ОС. При противоположной фазе поступающего с выхода на вход сигнала имеет место отрицательная ОС, вносящая ослабление. В современных усилительных устройствах, как правило, используют этот вид ОС.
Рисунок 3.3. Общая структурная схема усилительного устройства с обратной связью
Обратную связь принято называть частотно-независимой, если сопротивление или коэффициент передачи напряжения (тока) цепи ОС не зависит от частоты, в отличие от частотно-зависимой ОС, не обладающей этим свойством.
Если цепь (элемент) ОС является неотъемлемой частью усилителя, то такая ОС называется внутренней. Вместе с тем отмечают местную ОС (МОС) от общей. Под первой понимают ОС, охватывающую один каскад усилителя, а под второй - ОС, охватывающую весь усилитель или несколько каскадов.
3.2 Операционный усилитель К 140УД 1Б
Операционный усилитель К 140УД 1Б (рис. 3.4.) является наиболее простым из всех существующих подобных устройств. Первый каскад состоит из дифференциальной транзисторной пары VT1, VT3, которая питается от генератора тока на транзисторе VT2. Температурная стабилизация тока осуществляется транзистором VT5. Второй каскад на транзисторах VT4 и VT6 гальванически связан с выходами первого. На выходе усилителя стоят два эмиттерных повторителя (VT8 и VT10), а транзистор VT9 осуществляет сдвиг уровня постоянного напряжения на выходе. Операционный усилитель требует внешних корректирующих цепей, устраняющих самовозбуждение на частотах 2-10 МГц. Из всех существующих интегральных микросхем ОУ К 140УД 1Б имеет относительно низкий уровень шума.
Вывода микросхемы К 140УД 1Б имеют следующие назначения:
10, 9 - входа сигналов;
1 - - источника питания;
7 - + источника питания;
3, 2, 12 - коррекция
5 - выход сигнала.
Рисунок 3.4. Принципиальная схема ОУ К 140УД 1Б
На рис. 3.5 приведена амплитудная характеристика ОУ. Поскольку реальный ОУ обладает конечным коэффициентом усиления, график зависимости выходного напряжения от входного не представляет собой вертикальную прямую линию, а имеет наклон, определяемый коэффициентом усиления.
Амплитудная характеристика не проходит через начало координат, а сдвинута на напряжение, равное входному напряжению смещения Uсм. Напряжение смещения - значение постоянного напряжения на входе ОУ, при котором выходное напряжение равно нулю.
Рисунок 3.5. Амплитудная характеристика операционного усилителя
Коэффициент усиления ОУ является функцией частоты и с увеличением частоты падает. Частотная и фазовая характеристики ОУ складываются из частотных и фазовых характеристик отдельных каскадов, работающих при различных токах и нагрузках. Каждый каскад вносит фазовый сдвиг 90 0, поэтому общий фазовый сдвиг зависит от количества каскадов. Если учесть, что на выходе ОУ имеется запланированный сдвиг фазы 180 0, то на некоторой частоте суммарный сдвиг фаз в усилителе, замкнутом отрицательной обратной связью (ООС), достигает 360 0. Если на этой частоте произведение коэффициента усиления разомкнутого усилителя на ослабление элементов ООС равно или превышает единицу, то это вызывает самовозбуждение схемы.
Устранение возбуждения ОУ достигается коррекцией частотной характеристики. Для этого вводят отрицательные обратные связи, которые снижают коэффициент усиления ОУ на высоких частотах; фазовый сдвиг на частоте единичного усиления не должен превышать 360 0 для инвертирующего входа усилителя.
Частотные и фазовые характеристики операционного усилителя К 140УД 1Б приведены на рис. 3.6. и рис. 3.7.
Рисунок 3.6. Частотная характеристика ОУ К 140УД 1Б
Рисунок 3.7. Фазовая характеристика ОУ К 140УД 1Б
4. Расчетная часть
4.1 Исходные данные
Спроектировать инвертирующий усилитель с использованием операционного усилителя, исходя из следующих данных:
4.2 Расчет усилителя
Предварительный усилитель с заданными входными и выходными параметрами можно спроектировать, исходя из справочных данных ([2], стр. 11) на микросхеме широкого применения К 140УД 1Б используя схему инвертирующего усилителя.
Схема включения операционного усилителя приведена на рис. 4.1.
Рисунок 4.1. Схема включения ОУ К 140УД 1Б
Находим коэффициент усиления по напряжению проектируемого усилителя по формуле:
где Uвых - выходное напряжение усилителя,
Uвх - входное напряжение усилителя,
R1 и R3 - сопротивления корректирующих элементов усилителя,
.
Находим сопротивление корректирующего элемента R3 по формуле:
сопротивление R1 выбираем исходя из справочных данных по ([2], рис. 1.17., стр. 13) R1 = 1 кОм.
.
Резистор R2 для выравнивания входных токов микросхемы выбираем также исходя из данных на корректирующие элементы на проектируемую схему включения операционного усилителя по ([2] рис. 1.17, стр. 13) R2 = 100 кОм.
Входное сопротивление инвертирующего усилителя на операционном усилителе всегда больше внутреннего сопротивления операционного усилителя.
Определяем входное сопротивление усилителя по формуле:
,
где Rвх м - входное внутреннее сопротивление микросхемы; для микросхемы К 140УД 1Б по справочнику по ([2], табл. 1.1, стр. 8) Rвх м = 40 кОм; усилитель микросхема каскад характеристика
вU - коэффициент передачи обратной связи:
,
kU м - коэффициент усиления микросхемы без обратной связи; для микросхемы К 140УД 1Б по справочнику по ([4], табл. 3-2, стр. 35) kU м = 1000.
Для получения заданного входного сопротивления 50кОм, вход усилителя нужно зашунтировать сопротивлением Rшунт (подключить параллельно входу). Изображаем подключение шунтирующего сопротивления см. рис. 4.2.
Рисунок 4.2. Схема включения ОУ К 140УД 1Б
Находим номинал шунтирующего сопротивления Rшунт по формуле:
.
Выходное сопротивление реального усилительного каскада всегда меньше выходного сопротивления микросхемы.
Определяем выходное сопротивление усилителя по формуле:
где Rвых м - сопротивление выхода микросхемы; для микросхемы К 140УД 1Б по справочнику по ([4], табл. 3-2, стр. 35) Rвых м = 700 Ом.
.
Определяем ток в нагрузке по формуле:
.
Для микросхемы К 140УД 1Б максимальный выходной ток по справочнику по ([4], табл. 3-1, стр. 33) составляет 2,5 мА, что в два раза превышает расчетный.
Заключение
Проработка определенного количества литературы дала возможность произвести расчет электронной схемы инвертирующего усилителя на микросхеме К 140УД 1Б. Результаты расчета усилителя могут быть использованы для проектирования мощности, как завершенного аппаратного модуля.
Список литературы
1. Валитов Р.А., Куликовский А.А "Апериодические усилители на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет": М.: Советское радио, 1968. - 300 с., ил.
2. Горошков Б.И. "Радиоэлектронные устройства": Справочник - М.: Радио и связь, 1985. - 400 с., ил.
3. Криштафович А.К. "Основы промышленной электроники": Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1985. - 150 с., ил.
4. Кудряшов Б.П. "Аналоговые интегральные микросхемы": Справочник. - М.: Радио и связь, 1981. - 160 с., ил.
5. Марше Ж.В. "Операционные усилители и их применение": - М.: Энергия, 1985. - 270с., ил.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Структурная схема усилителя с одноканальной обратной связью. Выбор и расчет режима работы выходного каскада. Расчет необходимого значения глубины обратной связи. Определение числа каскадов усилителя. Выбор транзисторов предварительных каскадов.
курсовая работа [531,0 K], добавлен 23.04.2015Разработка структурной схемы усилителя низкой частоты. Расчет структурной схемы прибора для усиления электрических колебаний. Исследование входного и выходного каскада. Определение коэффициентов усиления по напряжению оконечного каскада на транзисторах.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 01.07.2021Выбор принципиальных схем узлов устройства. Компьютерное моделирование предварительного усилителя и усилителя мощности с общей обратной связью. Расчёт стабилизатора напряжения, усилителя, сглаживающего фильтра, трансформатора, диодной схемы выпрямления.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 20.12.2014Назначение и описание выводов инвертирующего усилителя постоянного тока К140УД8. Рассмотрение справочных параметров и основной схемы включения операционного усилителя. Расчет погрешностей дрейфа напряжения смещения от температуры и входного тока.
реферат [157,8 K], добавлен 28.05.2012Выбор схемы инвертирующего усилителя. Подбор резисторов, исходя из аддитивной погрешности и операционного усилителя, исходя из аддитивной и мультипликативной составляющей. Принципиальная схема блока питания и инвертирующего усилителя с блоком питания.
курсовая работа [404,1 K], добавлен 13.03.2013Обоснование выбора структурной и принципиальной схемы усилителя. Ориентировочный расчет числа каскадов усиления. Расчет оконечного каскада, элементов схемы по постоянному току, глубины общей отрицательной обратной связи, коэффициента усиления усилителя.
курсовая работа [986,3 K], добавлен 02.01.2011Структурная схема усилителя с одноканальной обратной связью. Выбор транзистора, расчет режима работы выходного каскада. Расчёт необходимого значения глубины обратной связи. Определение числа каскадов усилителя, выбор транзисторов предварительных каскадов.
курсовая работа [696,7 K], добавлен 24.09.2015Расчет параметров усилителя, на вход которого подается напряжение сигнала с заданной амплитудой от источника с известным внутренним сопротивлением. Определение КПД усилителя с общей параллельной отрицательной обратной связью по току и полного тока.
задача [236,7 K], добавлен 04.01.2011Обоснование и выбор функциональной схемы усилителя низкой частоты. Выбор функциональной схемы. Предварительный усилитель и усилитель мощности. Особенности выбора обратной связи и операционного усилителя для ВУ и ПУ. Питание операционных усилителей.
курсовая работа [360,9 K], добавлен 27.02.2010Выбор операционного усилителя, расчет его основных параметров для входного и выходного каскада. Вычисление каскадов усилителя, смещения нуля, коэффициента гармоник и частотных искажений. Моделирование усилителя с помощью Electronics Workbench 5.12.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 04.10.2014Экспериментальное исследование параметров инвертирующего усилителя на операционном усилителе. Конструктивное исполнение лабораторного макета. Обеспечение устойчивой работы операционного усилителя серии TL072CN. Базовая схема и параметры усилителя.
курсовая работа [266,7 K], добавлен 14.07.2012Разработка структурной и принципиальной схемы устройства. Расчет двухкаскадной схемы усилителя низкой частоты с использованием полевого и биполярного транзисторов. Выбор навесных элементов и определение конфигурации пленочных элементов усилителя частоты.
курсовая работа [220,7 K], добавлен 22.03.2014Выбор структурной схемы многокаскадного усилителя низкой частоты. Расчет показателей выходного, предокочечного и входного каскадов электронного устройства. Оценка параметров частотного искажения, фазовых сдвигов и усиления по напряжению, мощности и току.
курсовая работа [220,0 K], добавлен 03.12.2010Характеристики операционного, инвертирующего и неинвертирующего усилителя. Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов операционного усилителя. Измерение коэффициента усиления неинвертирующего усилителя на операционный усилитель.
методичка [760,8 K], добавлен 26.01.2009Построение и расчет усилителя мощности для стационарной аппаратуры второй группы сложности. Выбор, обоснование и предварительный расчет структурной схемы усилителя. Полный электрический расчет усилителя мощности и узлов предварительного усилителя.
курсовая работа [279,9 K], добавлен 05.09.2008Методика разработки электронных устройств. Исследование основных принципов построения усилительных каскадов. Выбор и расчет электронного транзисторного усилителя с полосой рабочих частот 300Гц – 50кГц. Проведение макетирования и испытания усилителя.
курсовая работа [690,5 K], добавлен 22.01.2013Расчет структурной схемы усилителя. Определение числа каскадов. Распределение искажений по каскадам. Расчет оконечного каскада. Выбор транзистора. Расчет предварительных каскадов. Расчет усилителя в области нижних частот (больших времен).
курсовая работа [380,2 K], добавлен 19.11.2003Расчет усилителя мощности с представлением структурной схемы промежуточных каскадов на операционных усилителях. Расчет мощности, потребляемой оконечным каскадом. Параметры комплементарных транзисторов. Выбор операционного усилителя для схемы бустера.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 05.02.2013Составление и расчет электрической схемы, выбор радиодеталей и составление перечня их. Выбор и обоснование структурной схемы усилителя. Расчет оконечного каскада усилителя. Построение результирующей амплитудной и фазовой характеристик усилителя.
курсовая работа [467,3 K], добавлен 11.07.2012Составление эквивалентной схемы усилителя для области средних частот, расчет его параметров. Определение сопротивления резистора, мощности, рассеиваемой им для выбора транзистора. Вычисление полного тока, потребляемого усилителем и к.п.д. усилителя.
контрольная работа [133,5 K], добавлен 04.01.2011
