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
Домашнее задание по модулю 3
дисциплины «Электроника и микроэлектроника», спец. ПС1,2, ИУ2
(упрощенная версия)
Дана схема усилителя на двух ОУ с указанием типов ОУ и номиналов элементов схемы (см. рис.1 и табл. 1).
1. Для заданной схемы определить: диапазон рабочих частот fн…fв по уровню -3 дБ; коэффициент усиления; максимальную амплитуду выходного напряжения на частоте fв; сдвиг выходного напряжения. Параметры ОУ указаны в табл. 2.
2. Изменить номиналы элементов схемы для получения минимального напряжения сдвига при сохранении коэффициента усиления и диапазона рабочих частот.
3. Повторить расчеты п. 1 для случаев, когда в усилителе используется 2 ОУ одного типа (рассмотреть 2 случая). Сравнить полученные результаты.
Выполненное задание оформляется в 12-листовой тетради или на листах формата А4 и представляется к защите. Перед защитой необходимо продумать меры по улучшению параметров усилителя (увеличению максимальной амплитуды выходного напряжения, уменьшению сдвига выходного напряжения и т.д.).
Таблица 1. Варианты домашнего задания
|
№ вар. |
Схема |
DA1 |
DA2 |
Rг, кОм |
R1, кОм |
R2, кОм |
R3, кОм |
R4, кОм |
R5, кОм |
R6, кОм |
C1, мкФ |
|
1 |
Рис.1, а |
КР140УД708 |
КР544УД3А |
1 |
47 |
1 |
15 |
3 |
1 |
10 |
0,1 |
|
2 |
КР140УД17А |
КР140УД608 |
0,3 |
22 |
3 |
24 |
0 |
2 |
18 |
1 |
|
|
3 |
К544УД12А |
КР544УД3А |
1 |
10 |
2 |
68 |
10 |
3 |
51 |
0,33 |
|
|
4 |
КР140УД608 |
КР140УД8А |
3 |
100 |
1 |
13 |
3 |
1 |
10 |
0,1 |
|
|
5 |
КР140УД281 |
КР140УД18 |
10 |
100 |
2 |
15 |
1 |
3 |
27 |
0,33 |
|
|
6 |
Рис.1, б |
КР544УД3А |
КР140УД22А |
0,1 |
4,7 |
2 |
47 |
4,7 |
2 |
18 |
2.2 |
|
7 |
К544УД12А |
КР140УД708 |
0,3 |
15 |
0 |
150 |
0 |
3 |
47 |
1 |
|
|
8 |
КР140УД22А |
КР544УД2А |
1 |
10 |
3.3 |
51 |
10 |
5,1 |
20 |
0,33 |
|
|
9 |
КР140УД708 |
КР544УД1А |
0,3 |
4,7 |
0 |
100 |
10 |
1 |
24 |
1 |
|
|
10 |
КР140УД17А |
КР140УД281 |
1 |
15 |
22 |
150 |
0 |
2 |
22 |
0,33 |
|
|
11 |
Рис.1, в |
КР544УД3А |
КР140УД8А |
20 |
10 |
2 |
30 |
12 |
3 |
27 |
0,33 |
|
12 |
КР140УД17Б |
КР140УД708 |
0,3 |
1 |
3 |
39 |
20 |
2,4 |
30 |
0,47 |
|
|
13 |
КР140УД608 |
КР140УД22А |
1 |
3.3 |
2 |
22 |
30 |
2 |
16 |
0,1 |
|
|
14 |
К544УД12А |
КР140УД708 |
3 |
0 |
4,3 |
100 |
15 |
1 |
20 |
0,33 |
|
|
15 |
КР544УД1А |
КР140УД22А |
10 |
2 |
2 |
24 |
12 |
1 |
11 |
1 |
|
|
16 |
Рис.1, г |
КР140УД22А |
К140УД23А |
0,1 |
1 |
5.6 |
15 |
47 |
3 |
27 |
0,1 |
|
17 |
КР140УД281 |
КР544УД1А |
0,3 |
2 |
10 |
30 |
33 |
1 |
15 |
0,47 |
|
|
18 |
К544УД10А |
КР544УД1А |
1 |
10 |
33 |
120 |
15 |
2 |
15 |
1 |
|
|
19 |
КР140УД17Б |
КР140УД708 |
3 |
20 |
0 |
200 |
10 |
2 |
18 |
0,33 |
|
|
20 |
КР140УД281 |
КР140УД18 |
1 |
10 |
47 |
220 |
27 |
3 |
51 |
0,22 |
а)
б)
в)
г)
Рис. 1 Варианты схем усилителей
Таблица 2. Основные параметры некоторых типов операционных усилителей
|
Тип |
Особенности |
К0 |
Uсм, мВ |
Iвх, нА [dIвх, нА] |
f1, МГц |
Vu, В/мкс |
КОСС, дБ |
Iпотр, мА [Uвых.макс, В*] |
Uвх.сф, В* [Uвх.диф, В*] |
Номинальное Uп, В [диапазон Uп, В] |
Rн.мин., кОм [Iвых.макс, мА] |
Заруб. аналог |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
КР140УД608 |
Общ. прим. |
7х104 |
10 |
30 [10] |
1 |
2 |
70 |
4 [+11] |
+10 [+20] |
+12 |
2 |
МС1456 |
|
КР140УД708 |
Общ. прим. |
2х104 |
6 |
500 [200] |
0,8 |
0,3 |
70 |
4 [+10] |
+15 |
2 |
mA741 |
|
|
КР140УД8А |
Общ. прим. ПТ на входе |
5х104 |
30 |
0,2 [0,15] |
3 |
2 |
64 |
8 [+12] |
[+10] |
+15 |
2 |
|
|
КР140УД17А |
Прециз. |
2х105 |
0,15 |
4 [3,8] |
0,25 |
0,1 |
94 |
4 |
+10 [+7] |
+15 [+(3…22)] |
2 |
|
|
КР140УД17Б |
Прециз. |
2х105 |
0,075 |
12 [6] |
0,4 |
0,1 |
90 |
4 |
+10 [+7] |
+15 [+(3…22)] |
2 |
|
|
КР140УД18 |
Общ. прим. ПТ на входе |
5х104 |
10 |
1 [0,2] |
1 |
2 |
80 |
4 [+10,5] |
+10,5 [+24] |
+15 |
2 |
LF355 |
|
КР140УД22А |
Общ. прим. ПТ на входе |
5х104 |
11 |
0,2 [0,05] |
5 |
7,5 |
80 |
11 [+10] |
+10 [+20] |
+15 |
2 |
LF356 |
|
К140УД23А |
Общ. прим. ПТ на входе |
2,5 х104 |
11 |
0,2 [0,05] |
10 |
30 |
80 |
11 [+10] |
+10 [+20] |
+15 |
2 |
LF356 |
|
КР140УД281/2/4 |
Микромощн. ПТ на входе, 1/2/4 ОУ в корпусе |
5х104 |
5 |
0,1 [0,05] |
0,6 |
0,6 |
70 |
0,25 на 1 ОУ [+12,5] |
+6 |
+15 [+(5…18)] |
10 |
LF441 |
|
КР544УД1А |
Общ. прим. ПТ на входе |
2х105 |
20 |
0,05 [0,02] |
1 |
5 |
80 |
3,5 [+12] |
+10 [+10] |
+15 |
2 |
|
|
КР544УД2А |
Общ. прим., ПТ на входе |
2х104 |
30 |
0,1 [0,1] |
15 |
20 |
70 |
7 [+10] |
+10 |
+15 |
2 (15) |
|
|
КР544УД3А |
Общ. прим. ПТ на входе |
2х105 |
2 |
0,05 [0,02] |
2,4 |
5 |
86 |
2,5 [+12] |
+10 |
+15 |
2 |
|
|
К544УД10А |
Микромощн.КМОП-тр. на входе, 2 ОУ |
2х104 |
3 |
0,05 [0,02] |
2 |
4 |
70 |
2 |
+(Uп-1) |
[+(1,5…6)] |
10 |
TS232 |
|
К544УД10Б |
Микромощн.КМОП-тр. на входе, 2 ОУ |
2х104 |
3 |
0,1 [0,1] |
2 |
0,6 |
80 |
0,4 |
+(Uп-1) |
[+(1,5…6)] |
100 |
TS232 |
|
К544УД12А |
Прециз. |
2х106 |
0,01 |
0,1 [0,05] |
0,4 |
0,1 |
130 |
2 [+12] |
+10 |
[+(5,5…18)] |
2 |
OPA77 |
|
К544УД12Б |
Прециз. |
2х106 |
0,025 |
0,3 [0,15] |
0,4 |
0,1 |
120 |
2 [+12] |
+10 |
[+(5,5…18)] |
2 |
OPA77 |
Методические указания по выполнению задания
Задание состоит в анализе усилительной схемы на двух ОУ: нахождении коэффициента усиления, диапазона рабочих частот, максимальной амплитуды выходного напряжения, сдвига выходного напряжения. Для каждого варианта задаются схема усилителя, типы используемых ОУ, номиналы элементов схемы. Изначально схема включает в себя ОУ разных типов. Расчет должен быть проведен для четырех вариантов:
1) исходного;
2) исходного с измененными сопротивлениями резисторов для достижения минимально возможного напряжения сдвига (при сохранении коэффициента усиления и диапазона частот); здесь нужно рассчитывать только новое значение dUвых;
3) схема варианта 2; оба ОУ одного типа, указанного как тип ОУ DA1;
4) схема варианта 2; оба ОУ одного типа, указанного как тип ОУ DA2.
Указанные в исходном варианте типы ОУ обладают различными параметрами, поэтому данные четыре варианта усилителя будут обладать различными частотными и точностными параметрами. Результаты расчетов приводятся в таблице по образцу табл. 3. Отметим, что некоторые варианты задания составлены так, что в исходной схеме ОУ выбраны неоптимально по точностным и частотным параметрам. В общем случае предусмотренная в задании замена ОУ может привести к улучшению одних параметров усилительного устройства и ухудшению других.
Таблица 3. Результаты расчета
|
№ п/п |
DA1 |
DA2 |
K |
fн |
fв |
dUвых |
Umвых.макс |
Примечания |
|
1 |
DA1 |
DA2 |
Исходный вариант |
|||||
|
2 |
DA1 |
DA2 |
Исходный вариант с минимизацией dUвых |
|||||
|
3 |
DA1 |
DA1 |
||||||
|
4 |
DA2 |
DA2 |
По результатам расчетов должно быть проведено сравнение рассмотренных вариантов схемы, выявлены преимущества использования ОУ заданных типов в первом или втором каскадах.
Необходимые расчеты достаточно просты и основаны на материале лекций и семинаров. Ниже приводятся некоторые дополнительные пояснения.
Коэффициент усиления усилителя на средних частотах К вычисляется как произведение коэффициентов усиления первого и второго каскадов:
К = Uвых/Ег = К1К2
К1 и К2 вычисляются по известным формулам в зависимости от типа каскада (инвертирующий или неинвертирующий), но при расчете К1 необходимо учитывать Rг. Так, для схемы рис. 1, а
К1 = КвхК1’ = (1+ R1/Rг)(1 + R3/R2),
Для схемы рис. 1, б, г
К1 = - R3/(Rг+ R1)
В схеме рис. 1, в, ОУ первого каскада находится в неинвертирующем включении, поэтому из-за действия последовательной ООС входное сопротивление первого каскада оказывается минимум на 1-2 порядка больше собственного входного сопротивления ОУ (в худшем случае сотни кОм для ОУ на биполярных транзисторах, например для КР140уд708) и таким образом на 2-3 порядка превышает Rг. Для этого случая влиянием Rг можно пренебречь.
Верхняя граничная частота усилителя fв зависит от частотных характеристик используемых ОУ. Все ОУ, используемые в задании, имеют внутреннюю частотную коррекцию, и поэтому fв может быть приближенно определена из соотношения:
1/fв = ,
где fв1 = f1.1/ К1, fв2 = f1.2/ К2 – верхние граничные частоты первого и второго каскадов, f1.1 и f1.2 – частоты единичного усиления ОУ первого и второго каскадов.
Может получиться так, что верхние граничные частоты обоих каскадов могут существенно различаться. В этом случае итоговое значение fв в основном будет определяться более «низкочастотным» каскадом, а другой каскад будет иметь избыточно широкую полосу. Однако в ряде случаев подобным образом схему выполняют намеренно: например, первый каскад выполняют на сравнительно низкочастотном прецизионном ОУ, а второй каскад – на быстродействующем ОУ. В этом случае диапазон рабочих частот будет определяться ОУ первого каскада, однако за счет высокой скорости нарастания ОУ второго каскада (с избыточно широкой полосой частот) можно получить максимальную амплитуду неискаженного сигнала на высоких частотах значительно большую, чем в схеме на двух одинаковых прецизионных ОУ.
С другой стороны, в подобном случае для увеличения fв без замены ОУ можно уменьшать К1 и увеличивать К2, при этом сохраняя их произведение.
Нижняя граничная частота усилителя fн зависит от емкости конденсатора С1 (см. лекции и семинары).
Максимальная амплитуда выходного напряжения усилителя на частоте fв может определяться скоростью нарастания выходного напряжения ОУ второго каскада:
Umвых.макс = Vu2 /2fв
Если амплитуда выходного сигнала будет превышать это значение, то будут наблюдаться так называемые динамические искажения. Например, при синусоидальном входном сигнале с ростом выходного напряжения более Umвых.макс выходной сигнал постепенно из синусоидального превращается в треугольный. Однако при расчете может получиться, что определенное таким образом Umвых.макс будет больше максимального выходного напряжения ОУ Uвых.макс. Это означает, что на частоте fв динамические искажения не проявляются. В этом случае нелинейные искажения проявляются как ограничение выходного сигнала на уровне Uвых.макс, а значит Umвых.макс =Uвых.макс.
В общем случае динамические искажения могут возникать и на выходе ОУ первого каскада. Учитывая, что максимальная амплитуда выходного напряжения первого каскада в К2 раз меньше выше определенного Umвых.макс, можно считать, что при выполнении условия
Umвых.макс /К2 > Vu1 /2fв
динамических искажений на выходе первого каскада не будет.
Сдвиг выходного напряжения dUвых в основном определяется сдвигом выходного напряжения ОУ первого каскада dUвых1 и в меньшей степени сдвигом выходного напряжения ОУ второго каскада dUвых2:
dUвых = К2dUвых1 + dUвых2
Данная формула подходит для вычисления dUвых усилителей постоянного тока (fн=0) и усилителей переменного напряжения, у которых разделительный конденсатор включен во входной цепи первого каскада для гальванической развязки входа усилителя и источника входного сигнала (рис. 1, а, б). Очевидно, что если разделительный конденсатор С1 включен между каскадами усилителя (рис. 1, в, г), образуя с R4 ФВЧ, то dUвых = dUвых2, т. е. существенно уменьшается. Наконец, включая разделительный конденсатор на выходе второго каскада усилителя, получаем на выходе усилителя dUвых = 0, однако следует учесть, что непосредственно на выходе ОУ2 все равно остается постоянное напряжение dUвых2 .
dUвых1 и dUвых2 зависят от напряжений смещения нуля и входных токов используемых ОУ и могут быть определены для каждого каскада отдельно. Из анализа эквивалентной схемы ОУ при отсутствии входного сигнала (рис. 2) сдвиг выходного напряжения схемы на ОУ может быть определен следующим образом:
Рис. 2. К определению сдвига выходного напряжения
Uвых =[(R1+R2)/R1][Uсм + Iвх+R3 - Iвх- R1R2/(R1+R2)].
При использовании это формулы можно подставлять Iвх+ = Iвх и Iвх- = Iвх - Iвх (Iвх и Iвх - из справочных данных ОУ).
При расчете Uвых следует учитывать некоторые особенности схем рис. 1, а-г.
1. Необходимо помнить, что входные токи ОУ при отсутствии полезного входного сигнала являются постоянными. Поэтому, например, в схеме рис. 1, а входной ток Iвх+ DA1 из-за наличия разделительной емкости С1 не протекает через Rг, а протекает только через R1. В схеме рис. 1, б также из-за разделительной емкости С1 не протекает через R1, а протекает только через R3.
2. Если во входных цепях ОУ нет гальванической развязки с помощью разделительной емкости, то при расчете Uвых следует учитывать, что последовательно с резистором во входной цепи ОУ может быть включено сопротивление Rг (схемы рис. 1, в, г).
3. В некоторых случаях изменить сопротивление резисторов во входных цепях ОУ с сохранением К и полосы частот невозможно. Например, в схеме рис.1, а для минимизации Uвых следовало бы изменить R1, но это, во-первых, приведет к изменению fн, а во-вторых, уменьшит входное сопротивление схемы (т. к. R1 в этом случае должно быть соизмеримым с достаточно малым R2).
Задание предусматривает изменение сопротивлений во входных цепях ОУ с целью минимизации Uвых. Здесь можно ограничиться простейшим способом – выбором R3 = R1|| R2. В этом случае Uвых определяется Uсм и Iвх :
Uвых =[(R1+R2)/R1][Uсм + Iвх R1R2/(R1+R2)]
При расчете Uвых для исходного варианта схемы может оказаться, что из-за малости входных токов их вклад в величину Uвых на 2-3 порядка меньше с вкладом Uсм:
Uсм >> Iвх+R3, Uсм >> Iвх- R1R2/(R1+R2),
т. е. изменение резисторов во входных цепях ОУ не приведет к заметному уменьшению Uвых. В этом случае при выполнении п.2 задания можно убрать резистор, последовательно соединенный с неинвертирующим входом ОУ (тем самым минимизировать число элементов схемы) и уже для этого варианта найти новое значение Uвых. Разумеется, если этот резистор входит в состав входного или межкаскадного ФВЧ, то его нельзя убирать из схемы.
Внимание! Нумерация элементов на рис. 2 не совпадает с нумерацией элементов схем в задании!
Учет Uвых особенно важен при проектировании усилителей постоянного тока, для которых Uвых по сути представляет собой аддитивную погрешность. Однако в усилителях переменного напряжения чем больше Uвых, тем при меньшей амплитуде выходного сигнала может наступать его ограничение. Поэтому если для всего усилителя сдвиг выходного напряжения оказывается более 0,3…0,5 В, то необходимо скорректировать Umвых.макс (вычитая из него Uвых).
Оформление домашнего задания
Задание выполняется в тетради 12 листов или на листах формата А4 и должно содержать:
1) условие задания;
2) исходный вариант схемы усилителя с указанием типов ОУ и номиналов резисторов и конденсаторов;
3) выписанные параметры использованных ОУ (можно в виде сокращенной таблицы по образцу табл. 2), их краткая сравнительная характеристика;
3) расчеты параметров исходной схемы и вариантов схем с минимизацией Uвых и предусмотренной заменой ОУ; все расчеты представлять в виде «формула – подстановка значений – ответ» с соблюдением нумерации элементов схемы;
4) результаты расчетов (табл. 3), их сравнительный анализ;
5) выводы по результатам выполнения задания и возможные пути улучшения параметров усилителя.
Выполненное домашнее задание сдается на проверку и далее представляется к защите.