Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
СОДЕРЖАНИЕ
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.
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.:
Uвых = (Uвх1 – Uвх2)KуU, (1)
где KуU – 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:
KуU1 = ∆Uвых1/(Uвх1-Uвх2). (2)
При подключении нагрузки между выходами (симметричное подключение нагрузки) реализуется дифференциальный коэффициент усиления напряжения:
KуU = KуU1+ KуU2 = ( ∆Uвых1+∆Uвых2)/(Uвх1-Uвх2). (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:
Из теории усилительных устройств известно, что время нарастания и полоса частот максимальной мощности fmax связаны следующим соотношением [5], [11]:
fmax = 0,35/tнар, (4)
откуда fmax = 3500 Гц при tнар = 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 = 2πfmaxUвыхmax, (5)
откуда V = 0,44 В/мкс при Uвыхmax = 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:
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
|
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 1 – Назначение выводов ОУ 1408УД1
|
Есм, мВ |
Uдр, мкВ/В |
Iвх, |
DIвх, |
TKIb, |
Kсф, |
Ft, МГц |
V |
Uсф, |
Uвыхmax, |
Iп, |
Eп, |
|
5 |
60 |
20 |
3 |
60 |
80 |
0,8 |
2 |
23 |
21 |
4 |
27 |
Таблица 2 – Основные параметры ОУ 1408УД1
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:
Uвых = (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:
Ku(Дб) = 20lg(Ku(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” = Ku 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
|
2 |
Эммитерный выход |
|
3 |
Вход неинверсный |
|
4 |
Вход инверсный |
|
6 |
Питание E- |
|
7 |
Балансировка |
|
8 |
Стробирование |
|
9 |
Коллектор. выход |
|
11 |
Питание E+ |
Таблица 3 – Назначение выводов К554СА3
|
Есм, мВ |
Iвх, |
DIвх, |
tзадвыкл, нc |
Kсф, |
Uдф, В |
V |
Uсф, |
Uвыхmax, |
Iп, |
Eп, |
|
6 |
100 |
10 |
300 |
70 |
30 |
2 |
+-15 |
21 |
5 |
+-15 |
Таблица 4 – Основные параметры К554СА3
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:
Uоп = UпитR13/(R11+R12), (12)
где Uоп = 4,1 В, Uпит = 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 = Uоп), 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 Iк [12]:
Iк = Eк/Rк, (13)
где Eк – напряжение источника питания, Rк = 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.
|
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 |
Таблица 5 – Параметры элементов модели
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
АСОИУ.- Омск, 2004.
Uвых2
Uвых1
Uвх2
Дифференциальный
усилитель
Uвх1