Схемотехника аналоговых устройств «Измерительный УПТ»

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

Схемотехника аналоговых устройств

 

«Измерительный УПТ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Марчук А.Е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2006 г.

 

Техническое задание

ТЕМА: Измерительный УПТ.

Требуется спроектировать измерительный (прецизионный) УПТ, который имеет следующие параметры:

1) Диапазон  рабочих частот от 0 Гц до 1000 кГц;

2) Коэффициент  усиления К0 = 100 (+40 дБ) со ступенчатой регулировкой усиления с шагом -2 дБ и точностью реализации не хуже 0,5%;

3) Выходное  сопротивление усилителя не более 50 Ом;

4) Требования  к источнику питания устанавливаются  из условий выбранной схемотехнической  реализации и элементной базы.

 

 

Наиболее просто реализовать предложенную схему на операционном усилителе.

 

Рассмотрим простейшую схему операционного усилителя.

 

Рисунок 1 – Идеальный ОУ.

 

 

По закону Кирхгофа, для идеального операционного усилителя, имеем следующую систему уравнений:

Uвх1- I1*R1+Евх-Uвх2=0 (1)

Uвх1- I1*R1- I2*R2-Uвых=0

 

С учетом того что Iвх=0 и Eвх=0, найдем:

 

Uвх=-R2*Uвх1/R1+(R2/R1+1)*Uвх2 (2)

 

 

Рассмотрим инвертирующий усилитель.

 

Рисунок 2 – Инвертирующий усилитель.

Коэффицент передачи такого усилителя определяется из формулы 2 при Uвх2=0:

 

Ku=-R2/R1 (3)

 

Выходное напряжение имеет полярность, обратную входному напряжению.

При замкнутой обратной связи (ОС) входное сопротивление со стороны источника сигнала

 

Rвх*= R1 (4)

 

Выходное сопротивление

Rвых*= Rвых/[1+(K/Ku)].

Отношение K/Ku называют плечевым усилением. От значения этого отношения зависят характеристики и устойчивость замкнутого усилителя.

Выходное напряжение идеального инвертирующего операционного усилителя (ОУ) будет отличаться от значения, определяемого формулой 3.

Влияние входного сопротивления и коэффицента усиления ОУ на входное напряжение определяется соотношением 1:

 

Uвых= Uвх*R2/R1*{1+[1+R2/R1+R2/Rвх+R3*(1+ R2/R1)/Rвх] /K }^(-1)   (5)

 

Из формулы видно, что выходное напряжение меньше идеального значения Uвх*R2/R1. Значение погрешности возрастает при уменьшении К и Rвх.

Для уменьшения Смещения нуля от входного тока обычно выбирают R3=R1||R2. C учетом последнего равенства выражение 5 упрощается:

 

Uвых=-Uвх*R2/R1*{1+(1+R3/R1+2R3/Rвх) /K}^(-1) (6)

 

Если неидеальность ОУ определяется еще напряжением смещения (Uсм) и разностью входных токов (ΔIвх)  [ входным током(Iвх) мы можем пренебречь полагая R3=R1||R2 ], то выходное напряжение

 

Uвых=-Uвх*R2/R1*{1+(1+R3/R1+2R3/Rвх) /K}^(-1)+Uсм*(1+R2/R1)+ ΔIвх*R2  (7)

 

Дополнительная погрешность, вызываемая изменением температуры, определяется как произведение температурного коэффицента на период температуры, т. е.

 

ΔUвых=+ ΔUсм/ΔT* ΔT*(1+ R2/R1)+ ΔΔIвх/ΔT*ΔT1*R2 (8)

 

В заключение приведем формулу для расчета относительной стабильности коэффицента передачи от изменения коэффицента усиления ОУ:

 

ΔKu/Ku=(ΔK/K)/(1+K/Ku) (9)

 

Из 9 видно, что любые изменения собственного коэффицента усиления ОУ снижаются в К/Ku раз, т. е. На значение передачи по петле ОС.

 

Рассмотрим неинвертирующий усилитель.

Рисунок 3 – Неинвертирующий усилитель.

 

Коэффицент передачи неинвертирующего усилителя определяется из (2) при Uвх1=0:

Кu=R2/R1+1.

Входное сопротивление усилителя

 

Rвх’=R3+[Ku/K/Rвх+1/Rсф]^(-1)

 

Влияние входного сопротивления и коэффицента усиления ОУ на входное напряжение определяется соотношением 1

 

Погрешности неинвертирующего усилителя определяются уравнениями (7-8),если в них вместо –Uвх*R2/R1 подставить Uвх*(R2/R1+1).

 

 

Для решения поставленной задачи, т.е. построения измерительного УПТ, была выбрана схема дифференциального усилителя на трех ОУ.

 

 

Рисунок 4 – Дифференциальный усилитель на 3-х ОУ.

 

Проанализируем схему

Для X1:

UoutX1 = V1*(1+R2/R1) – V2*R2/R1

Для X2:

UoutX2 =  V2*(1+R3/R1) – V1*R3/R1

В таком случае

Uout = UoutX2 - UoutX1 = V2*(1+R3/R1) – V1*R3/R1 - V1*(1+R2/R1) + V2*R2/R1 = (1 + (R2 + R3)/R1)*(V2 – V1)

Если R2 = R3, то

Uout = (1 + 2(R2/R1))*(V2 – V1)

 

Данная схема обладает рядом достоинств и позволяет в той или иной мере скомпенсировать некоторые недостатки, присущие многим схемам УПТ, построенным на ОУ.

 

Два входных ОУ образуют дифференциальный буферный усилитель с коэффициентом усиления 1+2(R2/R1) для разностных сигналов и 1 для синфазных. Оба входных ОУ работают в неинвертирующем режиме. Это обеспечивает высокое входное сопротивление по обоим входам. Усиление легко регулируется при помощи резистора R1. Данная схема обеспечивает хорошее подавление синфазного сигнала. Выходной ОУ действует в данной схеме просто как каскад, преобразующий дифференциальный входной сигнал в несимметричный выходной.

 

Смоделируем работу схемы в программе Micro-Cap

 

Рисунок 5 – Моделируемая схема.

 

Резисторы выбираются из ряда Е192.

Тип выбранных резисторов PTF_FT-16:

Допуск 1%, ТКС = 5ppm/°C.

Резисторы R04 и R03 выбраны номиналом отличающимся от R01 и R02

для лучшего подавления синфазного сигнала.

Операционные усилители:

X1, X2 – высокочастотные операционные усилители LM6165 (National Semiconductor). 1) Частота единичного усиления: 725 МГц; 2) минимальный ток потребления: мА; 3) диапазон питающего напряжения: 4.75В ÷ 32В.

X3 - высокочастотный операционный усилитель LM6164 (National Semiconductor). 1) Частота единичного усиления: 175 МГц; 2) минимальный ток потребления: мА; 3) диапазон питающего напряжения: 4.75В ÷ 32В.

 

Результаты моделирования представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Результаты моделирования (АЧХ и ФЧХ усилителя).

 

Видим, что в области частот, близкой к 1МГц наблюдается некоторое снижение коэффициента усиления. Для устренения этого недостатка можно ввести цепь коррекции в обратную связь X3.

 

 

Рисунок 7 – Схема УПТ с цепью коррекции.

Рисунок 8 – АЧХ и ФЧХ усилителя после введения коррекции.

 

Цепь коррекции позволила увеличить полосу усиления.

 

Рассчитаем набор сопротивлений R1 для осуществления регулировки К.

 

Таблица 1 – Набор сопротивлений R1 для осуществления регулировки К.

К, дБ	R1, Ом	R1, Ом (Е192)	К, дБ (Е192)
39,909	202	200 + 2	39,909
38	255	255	37,925
36	322	320+2	35,941
34	407	407	33,953
32	515	505+10	31,964
30	653	453+200	29,967
28	829	816+13	27,973
26	1055	1050+4,9	25,978
24	1347	1300+47	23.978
22	1726	1500+226	21.980
20	2222	2210+12	19.985
18	2880	2870+10	17.987
16	3767	3750+16,9	15.987
14	4985	4930+54,9	13.989
12	6709	6650+59	11.989
10	9250	9190+59,7	9.990
8	13229	13200+29,1	7.990
6	20095	20000+95,3	5.991
4	34194	34000+193	3.992
2	77242	76800+442	1.992
0	разрыв	разрыв	-0.007

 

 

Проведем исследование схемы по методу Monte Carlo. Число испытаний - 500

Рисунок 9 – Исследование усилителя по методу Monte Carlo.

 

Рисунок 10 – Разброс АЧХ.

 

 

Видим, что основная часть характеристик находится в диапазоне

39.80 ÷ 40.05 дБ.

 

 

Список использованной литературы:

 

1. П. Хоровиц , У. Хилл , “ Искусство схемотехники” (6-е издание)- Москва,  “Мир” , 2001.
2. Проектирование и применение операционных усилителей. Под ред. Дж. Грэма, Дж. Тоби, Л. Хьюлсмана. М.: Мир. 1974г. 510с.
3. Р. Кофлин, Ф. Дрискол, “ Операционные усилители и линейные интегральные схемы”  - Москва, “ Мир” , 1979.