Проектирование измерительного усилителя
Выбор схемы включения операционного усилителя. Оценка допустимого значения входного сопротивления. Построение логарифмической амплитудно-частотной характеристики операционного усилителя. Расчет ориентировочного значения токов, протекающих через диоды.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 03.12.2019 |
| Размер файла | 533,5 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/
Грозненский Государственный Нефтяной Технический Университет
Курсовой Проект
по дисциплине «Электроника»
на тему «Проектирование измерительного усилителя»
Выполнил: Баймурадов У.Х.
Проверил: Дебиев
Грозный 2016
Содержание
- Введение
- 1. Техническое задание
- 1.1 Проектирование входной части
- 1.2 Проектирование выходной части
- 1.3 Проектирование промежуточной части
- 2. Оценка погрешности коэффициента усиления
- 2.1 Оценка влияния температуры
- 2.2 Проектирование источника питания
- Заключение
- Литература
- Приложения
- Введение
- Роль электроники в современной науке и технике трудно переоценить. Она справедливо считается катализатором прогресса. Спектр ее применения простирается от фундаментальных исследований до прикладного использования. Микроэлектроника влияет на все народное хозяйство, но не непосредственно, а через целый ряд специфических отраслей таких, как вычислительная техника, информационно-измерительные системы, робототехника, микропроцессоры. Микроэлектроника очередной исторически обусловленный этап развития электроники и одно из ее основных направлений, обеспечивает принципиально новые пути решения назревших задач.
- Электроника -- это область науки, техники и производства, охватывающая исследование и разработку электронных приборов и принципов их использования.
- Микроэлектроника -- это раздел электроники, охватывающий исследования и разработку качественно нового типа электронных приборов -- интегральных микросхем -- и принципов их применения.
- В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронными устройствами. На определенных этапах становится невозможным решать новые задачи старыми электронными средствами, или, как говорят, средствами на основе существующей элементной базы, например с помощью электронных ламп или дискретных транзисторов. Таким образом, появляются предпосылки для дальнейшего совершенствования элементной базы. Основными факторами, вызывающими необходимость разработки электронных устройств на новой элементной базе, являются повышение надежности, уменьшение габаритов, массы, стоимости и потребляемой мощности.
- В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития промышленной электроники, а вместе с ней, соответственно, и электронных устройств.
1. Техническое задание
Требуется спроектировать измерительный усилитель, согласно следующим техническим параметрам:
|
Коэффициент усиления по напряжению |
6000 |
|
|
Нижняя граница диапазона частот, Гц |
0 |
|
|
Верхняя граница диапазона частот, Гц |
400 |
|
|
Минимальное сопротивление нагрузки, Ом |
100 |
|
|
Погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот на холостом ходу, не более, % |
1 |
|
|
Дополнительная погрешность коэффициента усиления при подключении нагрузки, не более % |
1 |
|
|
Максимальное выходное напряжение, В |
10 |
|
|
Максимальное входное напряжение, В |
12 |
|
|
Входное сопротивление в полосе рабочих частот, МОм |
10 |
|
|
Погрешность входного сопротивления, не более, % |
10 |
|
|
Приведенный температурный дрейф нуля, не более, мкВ/0С |
1 |
|
|
Дополнительный фазовый сдвиг в полосе рабочих частот, не более, ° |
120 |
|
|
Рабочий диапазон температур, °С |
+10…+60 |
|
|
Напряжение питания, В |
220 |
|
|
Частота, Гц |
50 |
Так как в техническом задании есть специальные требования для входной и выходной части, то следует ввести специальную входную и выходную части. Эти части могут быть самостоятельными усилителями, охваченными обратной связью, для получения необходимых заданных параметров.
Произведение коэффициентов усиления входной и выходной частей усилителя обычно меньше требуемого. Для того чтобы обеспечить этот показатель необходимо ввести промежуточную часть.
Необходимо также провести оценку частотных искажений вносимых усилителем. Эти искажения вносятся всеми частями усилителя. При проектировочных расчетах принято задавать частотные искажения на уровне 15-20%.
Пусть:
М = 1,15.
Наибольшая часть частотных искажений приходится на выходную часть.
Пусть для выходной части:
Мвых = 1,1;
Для промежуточной части:
Мпром = 1,03.
Тогда для входной части:
.
1.1 Проектирование входной части
Выбор схемы включения операционного усилителя
Т. к. входное сопротивление большое, выбираем неинвертирующее включение операционного усилителя (рис. 1).
Рис 1 Неинвертирующее включение ОУ
Выбор операционного усилителя
Выбираем ОУ К140УД17А. Его параметры:
o минимальный коэффициент усиления ;
o напряжение смещения мкВ;
o частота единичного усиления МГц;
o входной ток нА;
o напряжение питания В;
o ;
o ток питания мА.
1.3. Выбираем резистор R3
1.3.1. Оценим допустимое значение входного сопротивления:
(1.1)
(1.2)
(1.3)
Возьмём резистор номиналом R3 = 9,87 МОм.
1.4. Строим логарифмическую амплитудно-частотную характеристику для выбранного ОУ и определяем по ней коэффициенты усиления на нижней и верхней частоте
Рис. 2 Логарифмическая амлитудно-частотная схема
(1.4)
(1.5)
1.5. Частотные искажения:
(1.6)
Для надежного прохождения сигнала берем
4. Пусть R1 =100 кОм
Тогда и
Берём R2 = 898 кОм.
5. Коэффициент усиления входной части:
(1.7)
1.2 Проектирование выходной части
2. 1. Рассчитаем ток на нагрузке:
А; (2.1)
Ориентировочно рассчитаем ток на выходе ОУ:
мА. (2.2)
Так как ток на нагрузке больше тока на выходе ОУ, для выходной части проектируем усилитель мощности на эмиттерном повторителе, согласно схеме:
Рис 3 Электрическая схема усилителя мощности
Ориентировочное значение коэффициента передачи эмиттерного повторителя по току:
. (2.3)
Применим двухкаскадный эмиттерный повторитель.
Выбираем транзисторы VT1 и VT2, VT3 и VT4:
VT1, VT3: КТ819БМ;
VT2, VT4: КТ818БМ.
для которых:
o максимально допустимый ток на коллекторе А;
o коэффициент передачи по току ;
o граничная частота .
Выбираём диоды, которые обеспечат нам работу транзисторов VT1…VT6 в режиме АВ. Для перехода транзисторов в режим АВ необходимо создать напряжение смещения, которое будет определяться как:
(2.4)
В;
Задаёмся ориентировочно током покоя коллектора транзистора:
мА. (2.5)
Тогда ток покоя базы транзистора:
мА. (2.6)
Определим значения сопротивлений и . Получаем:
Ом. (2.7)
Выбираем резисторы номиналом Ом.
Тогда:
мВ. (2.8)
Получили:
мВ. (2.9)
Ориентировочное значение токов, протекающих через диоды:
мА. (2.10)
Выбираем диоды VD1 и VD2. Требуется, чтобы они при токе 0,25 мА обеспечивали напряжение 600 мВ. Подходят диоды КД226.
Рассчитаем сопротивления резисторов и , которые обеспечивают требуемый ток через диоды:
операционный усилитель сопротивление диод
кОм. (2.11)
Выбираем резисторы номиналом кОм.
2. 2. Выбор операционного усилителя
Для выходной части выбираем ОУ с высоким значением выходного напряжения. Подходит ОУ К1408УД1, у которого:
o минимальный коэффициент усиления ;
o напряжение смещения мВ;
o частота единичного усиления МГц;
o входной ток нА;
o скорость нарастания сигнала на входе 2 В/мкс;
o коэффициент ослабления синфазного сигнала дБ;
o изменение напряжения смещения под влиянием температуры мкВ/°С;
o максимальное выходное напряжение В;
o напряжение питания В.
o ток питания Iпит = 40 мА.
2. 3. Проверка годности выбранного ОУ
Определим коэффициент передачи эмиттерного повторителя по напряжению
. (2.12)
Вычислим входное напряжение УМ
В; (2.13)
Найдём входное сопротивление каждого плеча УМ
Ом. (2.14)
Пусть кОм.
Тогда выходное напряжение ОУ
В. (2.15)
Выбранный ОУ обеспечивает такое выходное напряжение.
Проверим выбранный ОУ на быстродействие.
На верхней границе рабочего диапазона частот максимальное выходное напряжение, которое устанавливается без задержки:
В > В. (2.16)
Выбранный ОУ обеспечивает работу без задержек при наших условиях.
2. 4. Определение коэффициента обратной связи
Коэффициент усиления выходной части усилителя можно определить по формуле
. (2.17)
Строим логарифмическую амплитудно-частотную характеристику для выбранного ОУ и определяем по ней коэффициенты усиления на нижней и верхней частоте
Рис. 4 Логарифмическая амлитудно-частотная схема
(2.18)
(2.19)
Тогда:
;
.
Рассчитаем коэффициент ОС, при котором частотные искажения не превысят допустимого значения. Можем записать:
(2.20)
Отсюда .
Примем: .
2.5. Выбираем резисторы и .
Их нужно выбрать так, чтобы каскад не нагружался. Для этого должно выполняться условие:
2 кОм, где (2.21)
мА
Получаем:
2 кОм; (2.22)
2 кОм кОм;
Выбираем резистор номиналом кОм;
Тогда:
кОм. (2.23)
Подбираем резистор номиналом R1 = кОм.
Коэффициент усиления выходной части:
.
Входной и выходной каскады обеспечивают требуемый коэффициент усиления, поэтому введение промежуточной части не требуется.
1.3 Проектирование промежуточной части
3. 1. Требуемый коэффициент усиления промежуточной части
. (3.1)
3. 2. Выбор операционного усилителя
Для промежуточной части используем ОУ КР140УД26.
o минимальный коэффициент усиления ;
o частота единичного усиления МГц;
o входной ток нА;
o напряжение питания В.
o ток питания Iпит = 4,7 мА.
3. 3. Проверим, сможет ли один ОУ обеспечить требуемый коэффициент усиления.
Требуемый коэффициент ОС для операционного усилителя:
; (3.2)
Строим логарифмическую амплитудно-частотную характеристику для выбранного ОУ и определяем по ней коэффициенты усиления на нижней и верхней частоте
Рис. 5 Логарифмическая амлитудно-частотная схема
(3.3)
Тогда частотные искажения промежуточной части:
= .
3. 3. Выбираем резисторы:
Примем: кОм.
Тогда:
кОм. (3.4)
Выбираем резистор номиналом 200 кОм.
2. Оценка погрешности коэффициента усиления
4. 1. Действительное значение коэффициента усиления ОУ можно определить по формуле
. (4.1)
Для входной части:
; (4.2)
Для выходной части:
; (4.3)
Для промежуточной части:
; (4.4)
4. 2. Относительная погрешность коэффициента усиления будет определяться по формуле:
(4.5)
.
2.1 Оценка влияния температуры
5. 1. Предельная температура:
°С.
5. 2. Изменение выходного напряжения из-за влияния температуры можно определить по формуле:
(5.1)
5. 3. Оценим влияние температуры для выходной части:
мкВ. (5.2)
Получили
В.
2.2 Проектирование источника питания
6. 1. Рассчитаем мощность, потребляемую каскадами
ОУ входной части:
мВт; (6.1)
ОУ выходной части:
мВт; (6.2)
Усилитель мощности:
Вт. (6.3)
Тогда общая потребляемая мощность усилителя:
Вт; (6.4)
Габаритная мощность:
Вт. (6.5)
6. 2. Источник питания будем проектировать по следующей схеме:
Рис 6 Упрощенная электрическая схема источника питания
6. 3. Выбираем трансформатор Tr1. Подходит Т17-220-50 (ШЛМ 10х25)
Его параметры:
|
Первичная обмотка |
Вторичная обмотка |
|||||||
Выводыобмоток |
U, В |
Iхх, А |
Iном, А |
Выводыобмоток |
Iном, А |
Uхх, В |
Uном, В |
|
|
1,2 |
220 |
0,038 |
0,056 |
3,4 |
0,142 |
45 |
38,5 |
|
|
5,6 |
1,18 |
1,3 |
1,05 |
Но т.к. вторичная обмотка не обеспечивает требуемых параметров, то мы берем тот, же сердечник и первичную обмотку и у нас получится трансформатор с параметрами:
|
Первичная обмотка |
Вторичная обмотка |
|||||||
Выводыобмоток |
U, В |
Iхх, А |
Iном, А |
Выводыобмоток |
Iном, А |
Uхх, В |
Uном, В |
|
|
1,2 |
220 |
0,038 |
0,056 |
3,4 |
0,142 |
20 |
19,25 |
|
|
5,6 |
0,142 |
20 |
19,25 |
6. 4. Выбор диодов для мостов VDS1 и VDS2. Выбираем по току:
мА.
Подходят диоды КД521А.
6. 5. Подбираем стабилизаторы для источника питания
Их параметры:
|
Стабилизатор |
Кст(U) |
Кст(I) |
(Uвх - Uвых)min, В |
Uвх, В |
Uвых, В |
Iнmax, А |
Iпит,мА |
|
|
КР1151ЕН1 |
0,3 |
0,5 |
3 |
15..40 |
1,2...27,5 |
0..10 |
4 |
|
|
КР1151ЕН2 |
0,1 |
0,2 |
6. 6. Подбираем стабилизаторы для помещения между промежуточным и выходным частями усилителя
мА.
Их параметры:
|
Стабилизатор |
Кст(U) |
Кст(I) |
(Uвх - Uвых)min, В |
Uвх, В |
Uвых, В |
Iнmax, А |
Iпит,мА |
|
|
КР1151ЕН1 |
0,3 |
0,5 |
3 |
15..40 |
1,2...27,5 |
0..10 |
4 |
|
|
КР1151ЕН2 |
0,1 |
0,2 |
Заключение
В результате выполнения этого курсового проекта мы научились самостоятельно проектировать многокаскадный измерительный усилитель на операционных усилителях, применять свои теоретические знания по электронике в практических целях.
Сначала мы согласовали структуру будущего измерительного усилителя. Затем мы рассчитали каждую часть усилителя отдельно и выбрали элементы и микросхемы. После чего рассчитали и спроектировали источник питания для нашего усилителя.
В заключении мы разработали принципиальные схемы усилителя и источника питания.
Литература
1) Сидоров И. Н., Мукосеев В. В., Христинин А. А. Справочник. Малогабаритные трансформаторы и дроссели. М.: Радио и связь, 2006.
2) Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника. М: Высшая школа, 2005.
3) Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Том 1. М: Радиософт, 2009.
4) Барибин Ю.Г., Федоров Л.Е., Зименков М.Г. и др. Справочник по проектированию электроснабжения. М.: Энергоатомиздат, 2007.
5) Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 2005.
6) Горюнов Н.Н. Полупроводниковые приборы: транзисторы. М: Энергоатомиздат, 2006.
Приложение
Принципиальная электрическая схема измерительного усилителя
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Расчет интегрирующего усилителя на основе операционного усилителя с выходным каскадом на транзисторах. Основные схемы включения операционных усилителей. Зависимость коэффициента усиления от частоты, а также график входного тока усилительного каскада.
курсовая работа [340,2 K], добавлен 12.06.2014Характеристики 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 26.01.2009Выбор 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 04.10.2014Назначение 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 28.05.2012Проектирование многокаскадного усилителя. Выбор режима работы выходного каскада по постоянному и переменному току. Разработка и расчет электрической схемы усилителя импульсных сигналов. Расчёт входного сопротивления и входной ёмкости входного каскада.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 25.03.2012Параметры и свойства устройств обработки сигналов, использующих операционного усилителя в качестве базового элемента. Изучение основных схем включения ОУ и сопоставление их характеристик. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств.
реферат [201,0 K], добавлен 21.08.2015Расчет предварительного усилителя. Выбор типа операционного усилителя и схемы выпрямителя. Расчёт фильтра и буферного каскада. Определение расчётного значения общего коэффициента передачи. Выбор стабилизатора напряжения. Описание принципиальной схемы.
курсовая работа [644,5 K], добавлен 04.05.2012Разработка транзисторного усилителя с помощью программы схемотехнического моделирования Micro Cap 8.0. Оценка максимального уровня входного сигнала и сопротивления. Температурный режим. Анализ усилителя в частотной области. Статический анализ схемы.
дипломная работа [3,5 M], добавлен 10.01.2016Расчет принципиальной схемы операционного усилителя на примере усилителя К14ОУД7. Дифференциальный усилитель с симметричным входом и несимметричным выходом. Расчет параметров амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик и элементов их коррекции.
курсовая работа [931,3 K], добавлен 19.06.2012Исследование особенностей операционного усилителя. Расчет пропорционально-интегрального и пропорционально-дифференциального звена. Определение минимально возможного значения сопротивления резистора. Схема неинвертируемого усилителя переменного напряжения.
контрольная работа [266,5 K], добавлен 05.01.2015Структурная схема операционного разностного усилителя и его характеристики. Особенности расчета параметров разностного усилителя на операционных усилителях, его схемы электрической принципиальной. Расчет компенсационного стабилизатора напряжения.
курсовая работа [152,3 K], добавлен 04.12.2010Проектирование элементов усилителя мощности. Расчёт входного каскада. Определение амплитудного значения коллекторного напряжения одного плеча, импульса коллекторного тока транзистора. Нахождение входного сопротивления транзистора по переменному току.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 06.01.2015Компенсация напряжения сдвига операционных усилителей, их свойства и принцип работы. Исследование работы инвертирующего, неинвертирующего и дифференциального включения операционного усилителя. Измерение коэффициента ослабления синфазной составляющей.
лабораторная работа [4,0 M], добавлен 16.12.2015Структурная и принципиальная схемы усилителя для фоторезистора. Проектирование входного устройства. Расчет масштабирующего усилителя, блока регулировки, усилителя мощности. Разработка фильтра нижних частот, режекторного фильтра, источника питания.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 10.12.2015Выбор 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 13.03.2013Общие характеристики операционного усилителя К140-УД14А, расчет пропорционально-интегрального ПИ-звена для него. Определение рабочих мощностей и напряжения на элементах, выбор резисторов и конденсаторов. Построение логарифмических характеристик усилителя.
дипломная работа [4,0 M], добавлен 20.12.2012Проектирование измерительного усилителя, его входной и выходной части. Расчет логического блока данного прибора. Расчет делителя напряжения. Использование электронного аналогового ключа. Проектирование цифрового частотомера. Разработка блока питания.
курсовая работа [490,4 K], добавлен 17.06.2011Расчет мощности сигнала на входе усилителя низкой частоты, значения коллекторного тока оконечных транзисторов, емкости разделительного конденсатора, сопротивления резистора, напряжения на входе усилителя. Разработка и анализ принципиальной схемы.
курсовая работа [111,1 K], добавлен 13.02.2015Выбор двигателя, усилителя мощности, фазового детектора, редуктора, расчет передаточных функций, построение логарифмической амплитудно-частотной характеристики нескорректированной системы и корректирующего звена для проектирования системы слежения.
курсовая работа [384,1 K], добавлен 29.08.2010Разработка и расчет схемы двухтактного усилителя мощности с заданными параметрами. Расчет оконечного, промежуточного и входного каскада. Выбор цепи стабилизации тока покоя. Результирующие характеристики усилителя. Требования к мощности источника питания.
курсовая работа [617,9 K], добавлен 16.10.2011
