Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Кафедра «Радиоэлектроника информационных систем»

АНАЛОГОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Отчет по курсовой работе

по дисциплине «Устройства обработки информации»

Преподаватель: Дядьков Н.А.

Выполнили: Елисеева В.А.

Группа РИ-330401

Екатеринбург 2015



Содержание

аналоговый устройство ток сигнал

Введение

1. Расчет схемы с ОЭ

2. Проектирование каскадов на ОУ

2.1 Общая характеристика и основные параметры

2.2 Масштабный усилитель

2.2.1 Режим малого сигнала

2.2.2 Режим большого сигнала

2.3 Анализ интегратора

2.4 Лабораторная работа №1

3. Проектирование активных фильтров

4. Схемы напряжений двухполупериодного детектора. Вид характеристик и их зависимость от элементов схемы

Вывод

Список используемой литературы



Введение

Аналоговые электронные устройства (АЭУ) - это устройства усиления и обработки аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов. Аналоговый сигнал представляет собой непрерывную функцию, неограниченную по количеству значений в различные моменты времени. Наиболее часто встречающимся аналоговым сигналом являются звуки нашей речи, которые на осциллограммах имеют различные, причудливые формы. Аналоговые сигналы изменяются по тому же закону, что и описываемые им физические процессы. В данной курсовой работе будет произведен расчет схемы с общим эмиттером, схемы с однопетлевой обратной связью и выполнено проектирование активных фильтров.



1. Расчет схемы с ОЭ

Номер по списку	16
, кОм	0.82
, кОм	10
, кОм	0.82
Еп, В	10
Сс1=Сс2, мкф	1
Rг, Ом	500
rб, Ом	150
в	100

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА КТ312Б

1. Паспортные параметры

Транзистор кремниевый планарный n-p-n структуры.

Коэффициент усиления тока базы = 25-100 ( при = 20 мА, = 2 В).

Модуль коэффициента передачи тока не менее 6 (при = 5 мА, = 10 В,

f = 20 МГц) (f_T = 120 МГц).

Входное сопротивление = 400 Ом ( при = 5 мА, = 5 В).

Выходная проводимость = 610^-5 Сим ( при = 5 мА, = 5 В).

Емкость коллектора 5 пФ (при = 10 В, f = 10⁷ Гц).

Сопротивление базы =150 Ом.

Емкость коллекторного перехода .

2. Расчетные параметры:

Емкость эмиттерного перехода , .

Задачи раздела

1. Выбор рабочей точки, расчет по постоянному току, стабилизация тремя сопротивлениями. Оценка U_вых макс.

2. Расчет K_u, K_e, R_вх, F_в F_н

Принципиальная схема

Рис. 1 Рабочая точка

Расчет по постоянному току

Уравнение нагрузочной прямой:

Ток базы:

Ток, протекающий через эмиттер:

Падение напряжения на базе:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Сквозная характеристика

Падение напряжения на эмиттере:

Сопротивление в цепи эмиттера:

Рис. 3 График АЧХ

Нижняя граничная частота, полученная по АЧХ:

Верхняя граничная частота, полученная по АЧХ:

Теоретический расчет граничных частот

Эквивалентная постоянная времени:

Постоянная времени входной цепи: Постоянная времени выходной цепи:

Эквивалентная постоянная времени:

Постоянная времени входной цепи:

Постоянная времени выходной цепи: ,

Коэффициент усиления каскада по напряжению:

Коэффициент крутизны характеристики:

Расхождения в практической и теоретической частотах связаны с неточностью задания параметров транзистора.

Сквозной коэффициент каскада по напряжению:

Эквивалентная схема

Рис. 4 Полная эквивалентная схема

Сопоставление результатов

		, Гц
Теоретич.
Практич.	44.8



2. Проектирование каскадов на ОУ

Задачи раздела

Схемы с однопетлевой обратной связью

Для заданного типа операционного усилителя на основе справочных данных провести анализ параметров, определить основные особенности, допустимые параметры источника сигнала и нагрузки, область применения.

2.1 Общая характеристика и основные параметры

Провести анализ:

2.2. Масштабного усилителя в режиме малого сигнала:

· оценить площадь усиления;

· оценить области значений R₁,R₂ в зависимости от К_U, F_В, I_ВХ;

· оценить дрейф 0.

2.3. Масштабного усилителя в режиме большого сигнала.

· оценить площадь усиления;

· оценить максимальную амплитуду входного сигнала в зависимости от К_U;

2.4. Интегратора

· определить минимальную и максимальную длительность входного сигнала в зависимости от его амплитуды при погрешности интегрирования 0.1% (без учета и с учетом входного тока и напряжения смещения 0);

· определить зависимость области допустимых значений R₁, С₂ и U_вх.max от времени интегрирования.



2.1 Общая характеристика и основные параметры

Общие сведения об усилителе

Расчет масштабного усилителя на примере прецизионного малошумящего широкополосного операционного усилителя 140УД26А.

ОУ 140УД26А обладает большим быстродействием, а также очень малым входным напряжением смещения нуля, что достигается путем подгонки микросхемы на стадии изготовления.

Масса микросхемы не более 1,4 г. В связи с этим ОУ не требует никакого внешнего обнуления. ОУ 140УД26А обладает высоким коэффициентом усиления. Малое смещение нуля и высокий коэффициент усиления делают этот ОУ особенно привлекательным для его применения в инструментальных схемах.

Широкий диапазон входных напряжений в комбинации с высоким коэффициентом ослабления синфазных входных напряжений (КCMR) обеспечивает высокую точность для схем с неинвертирующим включением. В схемах с глубокой обратной связью могут быть получены превосходные линейность и точность. ОУ обладает высокой и нормированной стабильностью напряжения смещения нуля и разности входных токов по времени и от изменения температуры окружающей среды.

Точность и стабильность ОУ 140УД26А при больших усилениях в сочетании с отсутствием необходимости внешнего обнуления сделали этот ОУ инструментальным стандартом для измерительных и вычислительных устройств высокой точности.

ОУ типа 140УД26А предназначены для работы в усилительных устройствах аппаратуры широкого применения.



Исходные данные усилителя 140УД26А

КУ,U, тыс.	1000	Kос.сф, дБ	114
Uсм, мВ	0.03	± Uвх,диф max, В	0.7t
?Uсм/?Т, мкВ/*С	0.6	± Uвых, max, В	12
Iвх, нА	40	Rвых, Ом
?Iвх, нА	35	Iвых max, мА
?? Iвх/?Т, нА/*С	1	Rн.min, кОм	2
±Uп,ном, В+-%	15	Сн.max, пФ
Kвл.ип, мкВ/В, дБ	10	f1, МГц	20
Диапазон ±Uп, В	4-18	Vuвых max, В/мкс	11
Iпот, мА	4.7	Еп, Rг=0, нВ/Гц	5.5
Rвх, МОм		f0, кГц	0.01
±Uвх,сф max, В	11

Количество в корпусе = 1

Тип корпуса 3101.8-1

Диапазон рабочих температур 60/125 -/+ оС

Технические условия бКО. 347.004 ТУ23

Прототип ОР-37

2.2 Масштабный усилитель

2.2.1 Режим малого сигнала

Оценка площади усиления

Если не допускать искажений в полосе пропускания, площадь усиления равна единичной частоте. Для операционного усилителя 140УД26А это значение составляет не менее 20МГц.

Оценка области значений R₁, R₂ с точки зрения

Основным фактором, ограничивающим номиналы резисторов, является конечное значение входного тока, вызывающее смещение нуля выходного напряжения.

Рис. 5 Схема к расчету влияния входного тока

Ограничение на R₂ находится из следующих соотношений:

Так как коэффициент усиления находится по формуле:

, ограничение на вычисляется так:

Оценка области значений R₁, R₂ с точки зрения

Другим фактором, ограничивающим номиналы резисторов, является влияние паразитных ёмкостей между выводами резисторов и ОУ.

Рис. 6 Схема к расчету влияния паразитной емкости

Соотношение между верхней граничной частотой и частотой единичного усиления:

Верхняя граничная частота при находится из соотношения:

где - паразитная емкость (возьмём=1 пФ)

Тогда, ограничение R₂ имеет следующий вид:

Подставим верхнюю частоту

Таким образом ограничение на R₂ в зависимости от имеет следующий вид:

Следовательно, ограничение R₁:

Учет смещения нуля

В реальных операционных усилителях при приложении нулевой разности потенциалов к входам на выходе будет присутствовать некоторое напряжение - напряжение смещение нуля.

Напряжение смещения нуля, приведенное к входу - это верхний предел напряжений, которые надо приложит к входу ОУ, чтобы получить нулевое значение выходного напряжения.



Рис. 7 Схема к расчету смещения нуля

Существует максимальный коэффициент усиления, при котором смещение напряжения на выходе не превосходит заданной величины.

, при

В случае, когда смещение нуля недопустимо (требуется большой коэффициент усиления), нужно использовать разделительные емкости (балансировка).



2.2.2 Режим большого сигнала

Оценка площади усиления

Если мы не допускаем искажений в полосе пропускании, площадь усиления равна единичной частоте. Для операционного усилителя 140УД26А это значение составляет не менее 20МГц.

Оценка максим. амплитуды входного сигнала в зависимости от

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ выбирается исходя их требуемой максимальной амплитуды выходного сигнала с помощью следующего соотношения:

, где

Другое ограничение на амплитуду входного сигнала накладывается исходя из конечного значения максимального выходного напряжения ОУ:

2.3 Анализ интегратора

Рис. 8 Схема усилителя, как интегратора

Рис. 9 Схема интегратора на операционном усилителе

Определение минимальной и максимальной длительности входного сигнала в зависимости от его амплитуды при погрешности интегрирования 0.1% (без учета и с учетом входного тока и напряжения смещения нуля).

Без учета погрешностей:

Рис. 10 Прямоугольный сигнал

Максимальная длительность входного сигнала из соотношения:

При этом амплитуда входного сигнала зависит от требуемой относительной ошибки интегрирования



Минимальное время интегрирования определяется верхней граничной частотой, которая достигает частоты единичного усиления.

Таким образом, минимальное время интегрирования для интегратора на исследуемом операционном усилителе составляет 0,05мкс.

Рис. 11 Синусоидальный сигнал

С учетом погрешности:

1) Входной ток

Так как потенциал на инвертирующем входе усилителя равен нулю, входной ток протекает через ёмкость. То есть к току будет прибавляться

Значит:



2) Смещение нуля:

Существует источник , при котором ток равен

Необходимо получить точность в 1%, значит в 100 раз

2.4 Лабораторная работа №1

Устройства на операционных усилителях с однопетлевой обратной связью

Исследование характеристик и параметров аналоговых устройств на операционном усилителе с однопетлевой обратной связью. Определение граничных частот, расчет частоты единичного усиления для разных коэффициентов усиления.

1. Теоретическая часть

f₁=2,5 МГц R₁=1 кОм

Следовательно, коэффициент усиления:

Соотношение между верхней граничной частотой и частотой единичного усиления:

Максимальное входное напряжение:

2. Практическая часть

Коэффициенты усиления обратной связи для трех сопротивлений:

R2, кОм	Kв	fв, кГц	f1, МГц	Um, В
82	78	42	3.27	12.4
68	10.14	84	0.85	4.38
8.2	8.6	789	6.7	1.37

Полученные в ходе расчетов значения экспериментальных и теоретической частот единичного усиления отличаются незначительно. С увеличением коэффициента усиления обратной связи уменьшается верхняя граничная частота При большом входном напряжении и при R₂=8.2 кОм верхняя граничная частота f_в=789 кГц. Значит, при маленьком коэффициенте усиления обратной связи с увеличением входного напряжения уменьшается верхняя граничная частота.



3. Проектирование активных фильтров

Задачи раздела

3.1. Провести анализ для 2-х способов реализации:

- Способов настройки фильтров - подстройка щ_р, q, ?щ

- Чувствительности перечисленных параметров к разбросу элементов.

Рис. 12 Фильтр на одном ОУ

Для низкодобротных цепей (q<2) чувствительность передаточной характеристики (т.е. ФЧХ и АЧХ) к изменениям параметров элементов является низкой. Поэтому для таких цепей требования к чувствительности некритичные и к ним не должны предъявляться требования по настройке. Следовательно, наивысшим приоритетом для этой категории фильтров является предельная простота схемы, наличие минимального количества пассивных элементов и только одного операционного усилителя.

Для высокодобротных цепей (q>20) уже требуется, по крайней мере, два ОУ. В отличие от низкодобротных, высокодобротным требуются некоторые виды настроек. Оптимальную последовательность настройки можно получить, вычисляя матрицу чувствительностей по всем элементам схемы.

Чем выше добротность q, тем выше параметр ПУЧ (произведение усиление-чувствительность), и наоборот. При увлечении добротности график АЧХ все сильнее и четче реагирует на малейшие изменения параметров элементов.

Способ настройки фильтров - подстройка щ_р, q, ?щ

1) 1-й способ реализации

Из соотношений и следует, что и можно настраивать независимо друг от друга с помощью резисторов : для настройки частоты необходимо изменять значения сопротивлений резисторов так, чтобы не менялось их отношение, а для настройки q - так, чтобы не менялось их произведение. Полосу пропускания, соответственно, можно настраивать теми же резисторами, изменяя отношение к .

2) 2-й способ реализации

Подстройка щ_р, q, ?щ возможна резисторами аналогично с предыдущим фильтром.

3) 3-й способ реализации

Настройка щ_р, q, ?щ, как следует из выражений и возможна резисторами аналогично двум предыдущим реализациям фильтров.

Чувствительности параметров к разбросу элементов

1) Чувствительность резонансной частоты щ_р

В качестве примера определения чувствительности резонансной частоты к разбросу элементов рассмотрим щ_р первого способа реализации:

Производные данного выражения по остальным переменным будут иметь аналогичный вид. Следовательно, чувствительность щ_р по всем элементам составляет 0,5. Так как выражения для резонансных частот двух других реализаций и имеют вид, аналогичный полученному выражению, значит чувствительность щ_р также составляет 0,5.

2) Чувствительность добротности q

1 способ реализации

Результаты получены с помощью среды Mathcad. Чувствительность по емкостям составляет порядка 0,5. Чувствительность к разбросу сопротивлений - около 0,01.

2 способ реализации

Результаты получены с помощью среды Mathcad. Добротность при таком способе реализации чувствительна к разбросу емкостей (коэффициент чувствительности составляет 8) и резисторов (коэффициент чувствительности также составляет 8). Коэффициент чувствительности при - 6.2 и 24 соответственно. Можно видеть, что добротность больше всего чувствительна к разбросу сопротивления

3) Чувствительность ?щ

1 способ реализации

Результаты получены с помощью среды Mathcad. Чувствительность по емкости равна 0,9. Чувствительность к разбросу сопротивлений - 0,45. Чувствительность по емкости равна нулю.

2 способ реализации

Результаты получены с помощью среды Mathcad. Чувствительность к разбросу по всем элементам, кроме , - около 37. Чувствительность к разбросу находится около 15.



4. Схемы напряжений двухполупериодного детектора. Вид характеристик и их зависимость от элементов схемы

На данной схеме изображен двухполупериодный детектор средневыпрямленных напряжений с одним выпрямляющим узлом. В таком двухполупериодном детекторе применен один выпрямляющий узел на ОУ DA1, который инвертирует входной сигнал. Выходное напряжение ОУ DA2 определяется следующим образом:

Если выполняется условие , то коэффициенты преобразований полуволн напряжений равны и имеют разные знаки. В результате сигнал на выходе будет однополярным и пропорциональным средневыпрямленному значению напряжения.

Погрешности преобразования зависят от точности выполнения данного условия и смещения нуля ОУ DA2.

Для сглаживания пульсаций выходного напряжения к выходу детекторов средневыпрямленного значения подключены фильтры НЧ, выполненные на пассивных или активных компонентах, причем смещения нуля активных компонентов дополнительно увеличивают погрешность преобразования. Несмотря на эти недостатки, на основе рассмотренной схемы можно создать детекторы, погрешности которых не превышают десятые - сотые доли процента.



Вывод

В ходе выполнения курсовой работы были приобретены практические навыки анализа и расчета типовых узлов аналоговой обработки сигналов. Был проведен расчет усилительного каскада на основе биполярного транзистора с общим эмиттером. Рассчитаны и получены его основные теоретические и практические параметры, коэффициент усиления по напряжению и сквозной коэффициент усиления, верхняя и нижняя граничные частоты, входное сопротивление. Произведено сравнение, показывающее, что теоретические данные совпали с практическими данными с учетом погрешностей.

Также проведен расчет и анализ масштабного усилителя в режиме большого сигнала. На основе данных расчетов можно сделать следующий вывод: с увеличением коэффициента усиления обратной связи уменьшается верхняя граничная частота и увеличивается максимальное входное напряжение. Кроме того, с ростом коэффициента усиления возрастает максимально допустимое сопротивление обратной связи.

Помимо этого, были получены значения верхних частот. По полученным верхним частотам были вычислены частоты единичного усиления при трех различных сопротивлениях R₂ обратной связи. Были измерены значения коэффициентов усиления обратной связи для этих значений сопротивлений.

Кроме того, в ходе работы был произведен анализ настриваемости активных фильтров, который показал, что высокодобротные цепи намного лучше реагируют на изменению своих параметров, нежели низкодобротные.

В четвертой части работы проведен анализ двухполупериодного детектора на основе данного операционного усилителя.



Список используемой литературы

1. Важенин В.Г., Дядьков Н.А., Марков Ю.В. Устройства на операционных усилителях с однопетлевой обратной связью. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. 55 с.

2. Важенин В.Г. Исследование усилительных каскадов при различных схемах включения транзистора: Методические указания к лабораторным работам №1 и №2 по курсу «Схемотехника аналоговых электронных устройств». Екатеринбург: УГТУ, 2000. 36 с.

3. Интегральные микросхемы: Операционные усилители. Обзор. М.: ДОДЭКА, 1994г., 48 с.

Размещено на Allbest.ru

...