КП Электроника В27. Проектирование измерительного усилителя

• Название: Проектирование измерительного усилителя
• Дата: 01.07.2021
• Размер: 0.65 Mb.
• Имя файла: КП Электроника В27.doc
• Тип: Курсовой проект; #222747

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу «Электроника»

на тему «Проектирование измерительного усилителя»

Вариант 27

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 3

РАСЧЁТЫ 6

Техническое задание 6

1. Проектирование входной части 8

2. Проектирование выходной части 10

3. Проектирование промежуточной части 16

4. Оценка погрешности коэффициента усиления 18

5. Оценка влияния температуры 19

6. Проектирование источника питания 19

7. Оценка дополнительного фазового сдвига 22

ВЫВОДЫ 23

ЛИТЕРАТУРА 24

ПРИЛОЖЕНИЕ 25

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.

I поколение (1904—1950 гг.) характеризуется тем, что основу элементной базы электронных устройств составляли электрова­куумные приборы, в которых пространство, изолированное газо­непроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной рабочей средой (парами или газами) и действие которых основано на использовании электрических явле­ний в вакууме или газе. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяют на электронные и ионные.

Электронный электровакуумный прибор — прибор, в котором электрический ток создается только свободными электронами.

Ионный электровакуумный прибор — прибор с электрическим разрядом в газе или парах. Этот прибор называют также газо­разрядным.

II поколение (1950—начало 60-х годов) характеризовалось применением в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и тиристоров). Сборка электронных устройств II-го поколения осуществлялась обычно автоматически с применением печатного монтажа, при котором полупроводниковые приборы и пассивные элементы располагались на печатной плате — диэлектрической пластине с металлизированными отверстиями (для подсоединения полупро­водниковых приборов и пассивных элементов), соединенными между собой проводниками. Проводники выполнялись путем осаждения медного слоя на плату по заранее заданному печатному рисунку, соответствующему определенной электронной схеме.

III поколение электронных устройств (1960—1980 гг.) связано с бурным развитием микроэлектроники — раздела электроники, охватывающего исследование и разработку качественно нового типа электронных приборов — интегральных схем — и принципов их применения. Основой элементной базы этого поколения элек­тронных устройств стали интегральные схемы и микросборки.

Интегральная схема представляет собой совокупность несколь­ких взаимосвязанных элементов (транзисторов, резисторов, кон­денсаторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле, т. е. одновременно, на одной и той же несущей конструкции (подложке), и выполняющих определенную функцию преобразования информации. Микросборка представляет собой ИС, в состав которой входят однотипные элементы (например, только диоды или только транзисторы).

Широкое развитие находит блочная конструкция электронных устройств — набор печатных плат, на которые монтируют ИС и микросборки.

IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на базе применения БИС и СБИС, когда уже отдельные функцио­нальные блоки выполняются в одной интегральной схеме, пред­ставляющей собой готовое электронное устройство приема, преоб­разования или передачи информации. Такие электронные устрой­ства, выполненные в виде СБИС, в ряде случаев позволяют полностью обеспечить требуемый алгоритм обработки исходной инфор­мации и существенно повысить надежность их функционирования.

РАСЧЁТЫ

Техническое задание

Требуется спроектировать измерительный усилитель, согласно следующим техническим параметрам:

Коэффициент усиления по напряжению	1500
Нижняя граница диапазона частот, Гц	200
Верхняя граница диапазона частот, Гц	30000
Минимальное сопротивление нагрузки, Ом	400
Погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот на холостом ходу, не более, %	3
Дополнительная погрешность коэффициента усиления при подключении нагрузки, не более %	1
Максимальное входное напряжение, В	8
Максимальное выходное напряжение, В	15
Входное сопротивление в полосе рабочих частот, кОм	800
Погрешность входного сопротивления, не более, %	0,5
Приведенный температурный дрейф нуля, не более, мкВ/0С	-
Дополнительный фазовый сдвиг в полосе рабочих частот, не более, °	90
Рабочий диапазон температур, °С	-20…+40
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:

М_вых = 1,1;

Для промежуточной части:

М_пром = 1,03.

Тогда для входной части:

.

1. Проектирование входной части

1. 1. Выбор схемы включения операционного усилителя

Т. к. входное сопротивление небольшое, выбираем инвертирующее включение операционного усилителя (рис. 1).


u_вх

u_вых

Рис 1. Инвертирующее включение ОУ
1. 2. Выбор операционного усилителя

Выбираем ОУ К140УД26. Его параметры:

• 
  минимальный коэффициент усиления ;
  
• 
  напряжение смещения мкВ;
  
• 
  частота единичного усиления МГц;
  

• 
  входной ток нА;
  

• 
  скорость нарастания сигнала на входе В/мкс;
  
• 
  коэффициент ослабления синфазного сигнала дБ;
  

• 
  изменение напряжения смещения в зависимости от температуры мкВ/°С;
  

• 
  максимальное выходное напряжение В;
  
• 
  напряжение питания В;
  
• 
  ток питания мА.
  

1.3. Выбираем резисторы

1.3.1. Сопротивление следует брать равным .

Возьмём резистор номиналом 796 МОм.

1.3.2. Входное сопротивление при включении ОУ с инвертирующим входом можно определить следующим образом:

.

Тогда расхождение значения входного сопротивления:



Согласно исходным данным:

.

Получили:

кОм.

Строим логарифмическую амплитудно-частотную характеристику для выбранного ОУ и определяем по ней коэффициенты усиления на нижней и верхней частоте







Получили:

кОм.

Отсюда кОм.

Возьмём резистор номиналом 2370 кОм.

1.3.3. Сопротивление рекомендуется брать согласно выражению:

кОм.

Возьмём резистор номиналом кОм.

1.4. Коэффициент обратной связи

.

1.4. Рассчитаем частотные искажения.



.

1.5. Коэффициент усиления входной части

.

2. Проектирование выходной части

2. 1. Рассчитаем ток на нагрузке

мА;

Ориентировочно рассчитаем ток на выходе ОУ

мА.

Так как ток на нагрузке больше тока на выходе ОУ, для выходной части проектируем усилитель мощности на эмиттерном повторителе, согласно схеме:



Рис 2. Электрическая схема усилителя мощности
Ориентировочное значение коэффициента передачи эмиттерного повторителя по току:

.

Выбираем транзисторы VT1 и VT2:

VT1: КТ315Б;

VT2: КТ361Б,

для которых:

• 
  максимально допустимый ток на коллекторе мА;
  
• 
  коэффициент передачи по току ;
  
• 
  граничная частота МГц.
  

Выбираём диоды, которые обеспечат нам работу транзисторов VT1 и VT2 в режиме АВ. Для перехода транзисторов в режим АВ необходимо создать напряжение смещения, которое будет определяться как:



В;

Задаёмся ориентировочно током покоя коллектора транзистора:

мА.

Тогда ток покоя базы транзистора:

мА.

Определим значения сопротивлений и . Получаем:

Ом.

Выбираем резисторы номиналом Ом.

Тогда:

мВ.

Получили:

мВ.

Ориентировочное значение токов, протекающих через диоды:

мА.

Выбираем диоды VD1 и VD2. Требуется, чтобы они при токе 0,25 мА обеспечивали напряжение 600 мВ. Подходят диоды МД226.

Рассчитаем сопротивления резисторов и , которые обеспечивают требуемый ток через диоды.

кОм.

Выбираем резисторы номиналом кОм.

2. 2. Выбор операционного усилителя

Для выходной части выбираем ОУ с высоким значением выходного напряжения. Подходит ОУ К1408УД1, у которого:

• 
  минимальный коэффициент усиления ;
  
• 
  напряжение смещения мВ;
  
• 
  частота единичного усиления МГц;
  
• 
  входной ток нА;
  
• 
  скорость нарастания сигнала на входе 2 В/мкс;
  
• 
  коэффициент ослабления синфазного сигнала дБ;
  
• 
  изменение напряжения смещения под влиянием температуры мкВ/°С;
  
• 
  максимальное выходное напряжение В;
  
• 
  напряжение питания В.
  
• 
  ток питания I_пит = 40 мА.
  

2. 3. Проверка годности выбранного ОУ

Определим коэффициент передачи эмиттерного повторителя по напряжению

.

Вычислим входное напряжение УМ

В;

Найдём входное сопротивление каждого плеча УМ

Ом.

Пусть кОм.

Тогда выходное напряжение ОУ

В.

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 > 17,537 В.

Выбранный ОУ обеспечивает работу без задержек при наших условиях.

2. 4. Определение коэффициента обратной связи

Коэффициент усиления выходной части усилителя можно определить по формуле

.

Строим логарифмическую амплитудно-частотную характеристику для выбранного ОУ и определяем по ней коэффициенты усиления на нижней и верхней частоте







Тогда:

;

.

Рассчитаем коэффициент ОС, при котором частотные искажения не превысят допустимого значения. Можем записать:







Отсюда .

Примем: .

2.5. Выбираем резисторы и .

Их нужно выбрать так, чтобы каскад не нагружался. Для этого должно выполняться условие:

2 кОм , где

мкА

Получаем:

2 кОм ;

2 кОм кОм;

Выбираем резистор номиналом кОм;

Тогда:

кОм.

кОм.

Подбираем резистор номиналом R₃ = 150 кОм.

3. Проектирование промежуточной части

3. 1. Требуемый коэффициент усиления промежуточной части

.

3. 2. Выбор операционного усилителя

Для промежуточной части используем ОУ КР140УД26.

• 
  минимальный коэффициент усиления ;
  
• 
  частота единичного усиления МГц;
  
• 
  входной ток нА;
  
• 
  напряжение питания В.
  
• 
  ток питания I_пит = 4,7 мА.
  

3. 3. Проверим, сможет ли один ОУ обеспечить требуемый коэффициент усиления.

Требуемый коэффициент ОС для операционного усилителя

;

Строим логарифмическую амплитудно-частотную характеристику для выбранного ОУ и определяем по ней коэффициенты усиления на нижней и верхней частоте







Тогда частотные искажения промежуточной части



= .

Один каскад не может обеспечить требуемый коэффициент усиления. Спроектируем промежуточную часть из двух каскадов. Тогда требуемый коэффициент усиления каждого каскада:

.

Коэффициент ОС:

.

3. 3. Оценка частотных искажений



.

3. 3. Выбираем резисторы:

Примем: кОм.

Тогда:

кОм.

Выбираем резистор номиналом 316 кОм.

кОм.

Подбираем резистор номиналом R₃ = 9,65 кОм.

4. Оценка погрешности коэффициента усиления

4. 1. Действительное значение коэффициента усиления ОУ можно определить по формуле

.

Для входной части:

;

Для промежуточной части:

;

Для выходной части:

.

4. 2. Относительная погрешность коэффициента усиления будет определяться по формуле



.

5. Оценка влияния температуры

5. 1. Предельная температура

°С.

5. 2. Изменение выходного напряжения из-за влияния температуры можно определить по формуле



5. 2. Оценим влияние температуры для выходной части

мкВ.

Получили

В.

6. Проектирование источника питания

6. 1. Рассчитаем мощность, потребляемую каскадами

ОУ входной части:

мВт;

ОУ промежуточной части:

мВт;

ОУ выходной части:

мВт;

Усилитель мощности:

мВт.

Тогда общая потребляемая мощность усилителя

Вт;

Габаритная мощность:

Вт.

6. 2. Источник питания будем проектировать по следующей схеме:



Рис 3. Упрощенная электрическая схема источника питания
6. 2. Выбираем трансформатор Tr1. Подходит Т17-220-50 (ШЛМ 10х25)

Его параметры:

Первичная обмотка				Вторичная обмотка
Выводы обмоток	U, В	Iхх, А	Iном, А	Выводы обмоток	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
Выводы обмоток	U, В	Iхх, А	Iном, А	Выводы обмоток	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. 3. Выбор диодов для мостов VDS1 и VDS2. Выбираем по току:

мА.

Подходят диоды КД521А.

6. 4. Подбираем стабилизаторы для источника питания

Их параметры:

Стабилизатор	Кст(U)	Кст(I)	(Uвх - Uвых)min, В	Uвх, В	Uвых, В	Iнmax, мА	Iпит,мА
К142ЕН2А	0,3	0,5	3	15..40	12..30	50..150	4
К142ЕН2Б	0,1	0,2

6. 5. Подбираем стабилизаторы для помещения между промежуточным и выходным частями усилителя

мА.

Их параметры:

Тип стабилизатора	Кст(u)	Кст(I)	(Uвх-Uвых)min, В	Uвх, В	Uвых, В	Iнmax, мА	Iпит,мА
К142ЕН1А	0,3	0,5	3	9..20	3..12	50..150	4
К142ЕН1Б	0,1	0,2

7. Оценка дополнительного фазового сдвига

Общий фазовый сдвиг на максимальной частоте равен 0°

ВЫВОДЫ

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, 1985
   
2. 
   Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника. М: Высшая школа, 2004.
   
3. 
   Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Том 1. М: Радиософт, 2001.
   
4. 
   Барибин Ю.Г., Федоров Л.Е., Зименков М.Г. и др. Справочник по проектированию электроснабжения. М.: Энергоатомиздат, 1990
   
5. 
   Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988
   
6. 
   Горюнов Н.Н. Полупроводниковые приборы: транзисторы. М: Энергоатомиздат, 1985.
   

ПРИЛОЖЕНИЕ

Принципиальная электрическая схема измерительного усилителя