Дифференциальный (разностный) усилитель

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

2. РАСЧЕТ НА СТРУКТУРНОМ УРОВНЕ

3. ВЫБОР И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

3.1 Дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления

3.2 Компаратор

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

5. АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Дифференциальный усилитель (ДУ) является одним из наиболее часто применяемых изделий микроэлектроники.

На рисунке 1 символически представлен ДУ, который имеет два входа и обычно два выхода.

дифференциальный усилитель метрологический электрический

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Структурная схема ДУ

Основная задача ДУ - получить на выходе напряжение, пропорциональное лишь разности потенциалов на входах ДУ и не зависящее от их абсолютного значения, от изменения напряжения питания, температуры окружающей среды и других факторов, т.е.:

U_вых = (U_вх1 - U_вх2)K_уU, (1)

где K_уU - коэффициент усиления ДУ.

Коэффициент усиления напряжения - основной параметр ДУ. В зависимости от способа подключения нагрузки различают плечевой и дифференциальный коэффициенты усиления напряжения. Если нагрузка подключается к одному из выходов схемы и корпусу (несимметричное подключение нагрузки), то реализуется плечевой коэффициент усиления напряжения:

K_уU1 = ?U_вых1/(U_вх1-U_вх2). (2)

При подключении нагрузки между выходами (симметричное подключение нагрузки) реализуется дифференциальный коэффициент усиления напряжения:

K_уU = K_уU1+ K_уU2 = ( ?U_вых1+?U_вых2)/(U_вх1-U_вх2). (3)

Простейшая принципиальная схема ДУ приведена на рисунке 2 [7].

Рисунок 2 - Простейшая принципиальная схема ДУ

Дифференциальный усилитель применяется везде, где необходимо усилить разность двух сигналов. Например, при создании измерительных усилителей или для работы с различными датчиками, когда необходимо прецизионное усиление с высокой точностью передачи сигнала, высоким входным сопротивлением, низким значением напряжения смещения и высокой степенью подавления синфазного сигнала.

В данной работе приводится реализация функций дифференциального (разностного) усилителя на операционном усилителе. Приводятся функциональная и принципиальная схемы требуемого усилителя, описываются его основные характеристики, принцип работы, расчёты схемы.

1 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Опираясь на техническое задание был произведен аналитический обзор рекомендуемой литературы и дополнительных источников информации, исходя из которых было выбрано направление проектирования.

Прототип схемы дифференциального усилителя был взят из [1] или [3], так как там предложена наиболее простая схема дифференциального усилителя с регулируемым коэффициентом усиления с помощью одного переменного резистора без перемены знака.

Операционный усилитель (ОУ) выбирался из следующих соображений:

максимальное выходное напряжение не менее 20 В

входной дифференциальный сигнал 0,1 - 1 В

время нарастания выходного напряжения не более 100 мкс

Из теории усилительных устройств известно, что время нарастания и полоса частот максимальной мощности f_max связаны следующим соотношением [5], [11]:

f_max = 0,35/t_нар, (4)

откуда f_max = 3500 Гц при t_нар = 100 мкс по заданию.

Скорость нарастания выходного напряжения связана с максимальным выходным напряжением ОУ следующим выражением [7], показывающим полосу частот, в которой выходное напряжение ОУ может быть равно максимальному значению (полоса максимальной мощности):

V = 2рf_maxU_выхmax, (5)

откуда V = 0,44 В/мкс при U_выхmax = 20 В.

Выбор остановился на ОУ 1408УД1, так как он имеет максимальное выходное напряжение +-21 В, скорость нарастания 2 В/мкс.

Компаратор выбирался с высоким входным дифференциальным напряжением. Из рассмотренных был выбран К544СА3, который удовлетворет этому критерию. К тому же он имеет открытый коллектор и эммитер, что позволяет создать на его выходе требуемый уровень выходного сигнала.

2 РАСЧЕТ НА СТРУКТУРНОМ УРОВНЕ

Функциональная схема требуемого устройства:

Рисунок 3 - Функциональная схема

Рассмотрим каждый блок данной схемы более подробно.

2.1 Дифференциальый усилитель (ДУ) является основой данной работы, он усиливает входной дифференциальный сигнал. Коэффициент усиления регулируется в диапазоне не менее 20 дБ. Дифференциальный усилитель построен на операционном усилителе 1408УД1, который имеет большое максимальное выходное напряжение.

2.2 Компаратор - это устройство для сравнения двух сигналов. В данной работе он требуется для индикации превышения выходным напряжением дифференциального усилителя уровня 8,2 В.

2.3 Блок формирования опорного напряжения вырабатывает и подает опорный сигнал на компаратор. Этот блок в данной работе представляет собой простейший делитель напряжения.

2.4 Блок памяти предназначен для обеспечения связи устройства с внешней ЭВМ.

Представляет собой регистр К1533ИР33. Для доступа к информации регистра машина использует сигнал «Чтение», который подается с внешней ЭВМ.

Требования к основным узлам:

Диапазон входного напряжения ДУ 0,1 - 1 В

Коэффициент усиления ДУ - 20

Время нарастания выходного напряжения ДУ не более 100 мкс

Диапазон регулировки коэффициента усиления ДУ не менее 20 дБ

Входное сопротивление ДУ не менее 10 кОм

Логический сигнал на выходе компаратора

Доступ со стороны ЭВМ к индикатору превышения выходным напряжением ДУ уровня 8,2 В

3 ВЫБОР И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

3.1 Дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления

Дифференциальный усилитель спроектирован на базе высоковольтного операционного усилителя 1408УД1. Типовая схема включения операционного усилителя 1408УД1 приведена на рисунке 4, назначение выводов в таблице 1, основные электрические параметры в таблице 2.

Рисунок 4 - Типовая схема включения ОУ 1408УД1

Таблица 1 - Назначение выводов ОУ 1408УД1

1	Свободный
2	Свободный
3	Баланс
4	Вход инверсный
5	Вход неинверсный
6	Питание E-
7	Свободный
8	Свободный
9	Баланс
10	Выход
11	Питание E+
12	Коррекция
13	Свободный
14	Свободный

Таблица 2 - Основные параметры ОУ 1408УД1

Есм, мВ	Uдр, мкВ/В	Iвх, нА	DIвх,   нА	TKIb, нА/C	Kсф,  дб	Ft, МГц	V В/мкс	Uсф,  В	Uвыхmax,   В	Iп,  мА	Eп,  В
5	60	20	3	60	80	0,8	2	23	21	4	27

Основой проектирования дифференциального усилителя послужила схема, предложенная в [1] и в [3], дополненная резистором R8 для ограничения понижения коэффициента усиления (рисунок 5):

Рисунок 5 - Дифференциальный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления

Коэффициент усиления для этой схемы при условии, что R1 = R4, R2 = R5, R3 = R6 определяется следующим выражением:

U_вых = (U₂ - U₁)((R2 + R3)/R1 + 2R2R3/R1R”), (6)

где R” = R7 + R8.

Коэффициент усиления можно изменять с помощью переменного резистора R7.

Согласно заданию требуется изменения коэффициента усиления в диапазоне не менее 20 дБ. Переведем необходимый в задании коэффициент усиления (20 раз) в дБ:

K_u(Дб) = 20lg(K_u(раз)) = 20lg20 ? 26 Дб. (7)

Максимальное выходное напряжение усилителя 1408УД1 не менее 21 В (таблица 2). Поэтому чтобы не нарушать пропорциональности между входными и выходным напряжениями, пусть коэффициент усиления изменяется с помощью регулировки от 6 дБ до 26,5 дБ, что составляет от 2 до 21 раз. Тогда рассмотрим формулу 8, откуда:

(R2 + R3)/R1 + 2R2R3/R1R” = K_u раз. (8)

Положим в ней R1 = 10 кОм, R2 = R3 = 5 кОм. Решим уравнения для минимального и максимального коэффициента усиления относительно R”:

1 + 5/R₁” = 2. (9)

1 + 5/R₂” = 21. (10)

Откуда R₁” = 0,25 кОм, R₂” = 5 кОм. Следовательно R” изменяется от 0,25 кОм до 5 кОм. Тогда положим R8 = 0,25 кОм, а переменный резистор R7 возьмем сопротивлением до 5 кОм -- СП3 - 22 - 0,125 - 4,7 кОм+-20%. Тем самым обеспечим необходимое изменение коэффициента усиления.

Коэффициент усиления 20 достигается при

R7 = 5/(20 1) R8 ? 0,02 кОм (11)

Входные сопротивления усилителя равны R1 ? R4 ? 10 кОм, что соответствует техническому заданию.

Для компенсации смещения нулевого уровня выходного сигнала, вызванное ЭДС смещения и входными токами ОУ, введем в ОУ цепь регулировки нуля. Для этого резистор баланса R9 (1-10 кОм) включается между выводами 3 и 9, его средняя точка - к выводу 6 (рисунок 5). В качестве R9 можно взять, например, переменный резистор СП3 - 22 - 0,125 - 10 кОм+-20%.

3.2 Компаратор

В качестве компаратора, удовлетворяющего расчетам на структурном уровне, был выбран универсальный компаратор с регулируемым выходным уровнем, с высокой чувствительностью, высокими входным сопротивлением и максимальным размахом дифференциального входного сигнала К554СА3.

Типовая схема включения компаратора К554СА3 приведена на рисунке 6, назначение выводов в таблице 3, основные электрические параметры в таблице 4:

Рисунок 6 - Типовая схема включения компаратора К554СА3

Таблица 3 - Назначение выводов К554СА3

2	Эммитерный выход
3	Вход неинверсный
4	Вход инверсный
6	Питание E-
7	Балансировка
8	Стробирование
9	Коллектор. выход
11	Питание E+

Таблица 4 - Основные параметры К554СА3

Есм, мВ	Iвх, нА	DIвх,   нА	tзадвыкл, нc	Kсф,  дб	Uдф, В	V В/мкс	Uсф,  В	Uвыхmax,   В	Iп,  мА	Eп,  В
6	100	10	300	70	30	2	+-15	21	5	+-15

Входное синфазное напряжение компаратора +-15 В (таблица 4). Выходной сигнал усилителя может достигать +-20 В. Следовательно перед подачей напряжения на компаратор необходимо его уменьшить, например, в 2 раза. Это достигается включением резистивного делителя напряжения R10 - R11 (R10 = R11 = 10 кОм) на входе компартора (рисунок 7).

Опорный сигнал подается на компаратор с блока формирования опорного напряжения, который представляет собой простейший резистивный делитель R11 - R12. Опорное напряжение требуется также уменьшить в 2 раза (8,2В/2 = 4,1В), что достигается с помощью резистивного делителя, подключенного к источнику питания +5 В (рисунок 7):



Рисунок 7 - Индикатор (компаратор) превышения выходным напряжением уровня 8,2 В

Резисторы R12 и R13 выбираются, исходя из формулы:

U_оп = U_питR13/(R11+R12), (12)

где U_оп = 4,1 В, U_пит = 5 В. Откуда R12 = 0,9 В, R13 = 4,1 кОм.

Компаратор имеет регулируемый выходной уровень, поэтому у него открытый коллектор и эммитер. Чтобы получить согласование с регистором, необходим, чтобы на выходе компаратора высокий уровень выходного напряжения был равен +5 В. Этому соответствует включение компаратора с общим эммитером, когда выходной сигнал снимается с коллектора. На рисунок 8 выходной транзистор компаратора включен по схеме с общим эммитером.



Рисунок 8 - Выходной транзистор компаратора по схеме с общим эммитером

При потенциале на верхнем резисторе, равном +5 В, к выходу можно подключить ТТЛ, nМОП или КМОП - логику с питанием от источника +5 В. Таким образом можно получить связь компаратора с внешней ЭВМ. При превышении выходного напряжения уровня 8,2 В, на выходе компаратора логическая 1 (открытое состояние транзистора). Если же сигнал от усилителя меньше опорного (на рисунке 7 U₁ = U_оп), то на выходе логический 0 (закрытое состояние транзистора).

Резистор R14 выбирается из расчета 2,5 мА на выходе при превышении входным сигналом опорного (логическая единица) из соотношения для тока коллектора I_к [12]:

I_к = E_к/R_к, (13)

где E_к - напряжение источника питания, R_к = R14, откуда:

R14 = 5В/2,5мА = 2 кОм. (14)

С компаратора сигнал поступает на регистр.

3.3 Регистр

В работе для связи с внешней ЭВМ можно использовать, например, регистр КР1533ИР33, типовая схема включения которого представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Типовая схема включения регистра КР1533ИР33

На вход 11 подается сигнал с ЭВМ на разрешения записи в регистр, на вход 1 - сигнал на разрешение чтения информации, а с входа 19 - сигнал превышения на ЭВМ.

4 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Моделирование дифференциального усилителя проводилось в ППП Micro-Cap 7. В ходе тестирования на входы усилителя подавались постоянные, гармонические и импульсные сигналы. Полученные в предыдущем параграфе соотношения оказались верными с большой точностью.

Для моделирования данной схемы был выбран аналог ОУ 1408УД1 -- LM143 с параметрами, приведенными в таблице 5.

Таблица 5 - Параметры элементов модели

Обозначение в MC7	Параметр	Значение
LEVEL	Уровень модели	3
TYPE	Тип входных транзисторов	1
C	Емкость коррекции АЧХ ОУ, пФ	27
A	Коэффициент усиления на постоянном токе	180K
ROUTAC	Выходное сопротивление на переменном токе, Ом	50
ROUTDC	Выходное сопротивление на постоянном токе, Ом	75
VOFF	Напряжение смещения нуля, В	0.005
IOFF	Разность входных токов, А	3N
SRP	Максимальна скорость нарастания выходного напряжения, В/с	2MEG
SRN	Максимальна скорость спада выходного напряжения, В/с	2MEG
IBIAS	Входной ток (смещения нуля), А	20N
VCC	Напряжение положительного питания, В	30
VCC	Напряжение положительного питания, В	-30
VPS	Максимальное выходное положительное напряжение, В	21
VNS	Максимальное выходное отрицательное напряжение, В	-21
CMRR	Коэффициент подавления синфазного сигнала	10K
GBW	Площадь усиления	0.8MEG
PM	Запас по фазе на частоте единичного усиления	60
IOSC	Выходной ток короткого замыкания, мА	20

На рисунке 10 приведена принципиальная схема дифференциального усилителя смоделированная в ППП Micro-Cap 7.



Рисунок 10 - Модель дифференциального усилителя

На рисунке 11 приведены графики зависимости входных (первый и второй графики) и выходного сигналов (третий график) от времени:

Рисунок 11 - Входные и выходные напряжения усилителя

Моделирование показало с большой точностью ожидаемое усиление сигнала. Погрешность обусловлена нескорректированными напряжением смещения, входными токами, различием в параметрах аналогого усилителя, а также неточностью среды моделирования.

5 АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Дифференциальый усилитель

Погрешности, связанные с напряжением смещения нуля и с влиянием входных токов могут быть практически сведены до нуля с помощью регулировки. Входные сопротивление усилителя R1 = R4 ? 10 кОм, что соответствует техническому заданию и рекомендуется в литературе [12]. Регулировка коэффициента усиления позволяет получать на выходе требуемое увеличение сигнала, без перемены знака на выходе [3]. Время нарастания выходного напряжения не более 100 мкс, полоса максимальной мощности не менее 3500 Гц.

Компаратор

Использованный в работе компаратор имеет высокую чувствительность и входное сопротивление, поэтому его можно использовать без дополнительных корректирующих цепей. Погрешность не существенна.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 304 с.

Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1982. - 496 с.

Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. радио, 1979. - 368 с.

Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в двух томах. Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - Т. 1. - 598 с.

Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. - 583 с.

Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982. - 512с.

Никонов А.В. Электротехника и электроника: Электр. учебник / ОмГТУ, фак. Авт. каф.

АСОИУ.Омск, 2004.

Никонов А.В. Основные узлы цифровых измерительных устройств: Учеб. пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. - 52 с.

Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях : Справочник. - К.: Техника, 1983. - 213 с.

Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.

Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь. 1983. - 264 с.

Игумнов Д.В., Королев Г.В., Громов И.С. Основы микроэлектроники: Учеб. Для техникумов по спец. «Производство изделий электр. техники». - М.: Высш. шк., 1991. - 254 с.

Размещено на Allbest.ru

...