Расчет разностного усилителя (вычитателя) на ОУ

Министерство науки и образования Украины

Запорожская государственная инженерная академия

ФЭЭТ

Кафедра «Электронные системы»

Пояснительная записка к курсовому проекту

По дисциплине:

Аналоговая схемотехника

На тему:

“Расчет разностного усилителя (вычитателя) на ОУ”

Выполнила: ст. гр. ЭС-05-2д

Киричек Е.В.

Запорожье

2008

РЕФЕРАТ

Страниц-29, рисунков- 8, источников литературы-4.

В курсовом проекте рассматривается разностный усилитель. Курсовой проект состоит из двух частей. В первой части рассчитываем параметры разностного усилителя на операционных усилителях. Во второй части разрабатываем компенсационный стабилизатор напряжения.

Коэффициент усиления, операционный усилитель, повторитель напряжения, вычитатель, транзистор, компенсационный стабилизатор, источник сигнала, сопротивление, разностный усилитель.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Операционный усилитель

1.1 Общие сведения

1.2 Структурная схема операционного усилителя

1.3 Разностный усилитель

2. Компенсационный стабилизатор

2.1 Выбор и анализ структурной схемы

3. Расчет схемы электрической принципиальной разностного усилителя

3.1 Исходные данные

4. Расчет компенсационного стабилизатора напряжения

Анализ ошибок

Заключение

Список источников

Приложение 1

Приложение 2

ВВЕДЕНИЕ

Обмен информацией в электронных системах происходит с помощью сигналов. Многие электронные устройства, используемые в быту и на производстве требуют определенных параметров напряжения на входе, отличных от параметров сети. Для создания нужного напряжения и используют стабилизаторы напряжения, один из которых требуется разработать во второй части проекта. Стабилизатор разрабатывается на базе стандартных аналоговых элементов, выпускающихся серийно и может использоваться для работы с широким спектром устройств, требующих напряжения, укладывающегося в его выходной диапазон.

Носителями сигналов могут быть разные физические величины – токи, напряжения, световые волны. Выделяют аналоговые и дискретные сигналы Дискретные сигналы проще хранить и обрабатывать, они более стойкие к помехам. Поэтому дискретные сигналы чаще используют на практике, чем аналоговые, так как аналоговое преобразование сигналов является необходимым этапов обработки информации и мощности этих сигналов. Для сигналов, имеющих информационную сущность, такая последовательность преобразования с аналоговыми сигналами на входе и выходе и цифровыми на промежуточном этапе. Для сигналов, имеющих энергетическую сущность, аналоговое преобразование является единственно возможным. Поэтому, в зависимости от особенностей сигналов, существует три группы преобразований:

1)  преобразования, связанные с обработкой гармонических сигналов;

2)  преобразование с генерацией сигналов;

3)  нелинейные “вычислительные” преобразования.

Полностью вытеснить аналоговую технику цифровая не сможет, потому что физические процессы, от которых электронная система получает информацию, имеют аналоговую природу.

1. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

1.1 Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) – унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности

();

входное сопротивление стремится к бесконечности ();

выходное сопротивление стремится к нулю ();

если входное напряжение равно нулю, то выходное напряжение также равно нулю ();

бесконечная полоса усиливаемых частот ().

История названия операционного усилителя связана с тем, что подобные усилители постоянного тока использовались в аналоговой вычислительной технике для реализации различных математических операций, например суммирования, интегрирования и др. В настоящее время эти функции хотя и не утратили своего значения, однако составляют лишь малую часть списка возможных применений ОУ.

Являясь, по существу, идеальным усилительным элементом, ОУ составляет основу всей аналоговой электроники, что стало возможным в результате достижений современной микроэлектроники, позволившей реализовать достаточно сложную структуру ОУ в интегральном исполнении на одном кристалле и наладить массовый выпуск подобных устройств. Все это позволяет рассматривать ОУ в качестве простейшего элемента электронных схем подобно диоду, транзистору и т.п. Следует отметить, что на практике ни одно из перечисленных выше требований к ОУ не может быть удовлетворено полностью.

Достоверность допущений об идеальности свойств в каждом конкретном случае подтверждается сопоставлением реальных параметров ОУ и требований к разрабатываемым электронным средствам (ЭС).

Параметры ОУ можно разделить на следующие группы.

Входные параметры, определяемые свойствами входного дифференциального каскада:

·  напряжение смещения нуля U_см , значение которого определяется неидентичностью напряжений U_бэ0 транзисторов входного дифференциального каскада, и его температурный дрейф ΔUсмΔT;

·  входной ток инверирующего I^-_вх и неинвертирующего входа I⁺_вх , а также средний I_вх.ср и разностный I_{вх.разн} входной ток (ток баз транзисторов в режиме покоя входного дифференциального каскада) и температурный дрейф разностного входного тока ΔI_{вх.разн} /ΔT;

·  максимальное входное дифференциальное U_{вх.диф. мах} и синфазное U_{вх.сс. мах} напряжения;

·  входное дифференциальное сопротивление R_вх.оу , т.е. сопротивление между входами ОУ для малого дифференциального входного сигнала, при котором сохраняется линейность выходного напряжения;

·  входное синфазное сопротивление R_вх.сф. , т.е. сопротивление, равное отношению напряжения, поданного на оба входа ОУ, к току входов.

Передаточные параметры:

·  коэффициент усиления по напряжению К_оу определяемый отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение дифференциальному входному сигналу К_оу= U_вых/U_вх.диф ;

·  коэффициент ослабления синфазного сигнала К_осс определяемый отношением коэффициента усиления дифференциального сигнала в схеме на ОУ к коэффициенту усиления синфазного сигнала К_осс= К_оу/ К_оу.сс . Он характеризует способность ослаблять (не усиливать) сигналы, приложенные к обоим входам одновременно;

·  граничная частота f_гр – частота на которой коэффициент усиления уменьшается в (1/2)^1/2 раз по отношению к максимальному значению коэффициенту усиления. Эта частота соответствует уменьшению коэффициента усиления на –3дБ, при задании коэффициента усиления в логарифмическом масштабе. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис.1 граничная частота f_гр=10Гц;

·  частота единичного усилия f₁ т. е. частота, при которой К_оу=1. Для ОУ АЧХ коэффициента усиления которого приведена на рис.1 частота единичного усиления f₁=10⁶Гц. Граничная частота f_гр , частота единичного усиления f₁ и коэффициент усиления по напряжению К_оу для ОУ с внутренней коррекцией связаны соотношением f₁= f_грК_оу .

·  запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления φ_зап , характеризует устойчивость ОУ. φ_зап =180⁰ – |φ₁|, где φ₁ – фазовый сдвиг на частоте f_1. Положительный запас устойчивости по фазе является показателем устойчивости ОУ. Для получения максимально быстрого отклика на импульсный входной сигнал и одновременно исключения звона или неустойчивости желательно иметь запас устойчивости по фазе порядка 45⁰. Для ОУ фазово-частотная характеристика, которого приведена на рис.1 φ₁=90⁰, а φ_зап=90⁰.

Выходные параметры, определяемые свойствами выходного каскада ОУ:

·  выходное сопротивление R_вых ;

·  максимальный выходной ток I_{вых.мах} , измеряемый при максимальном выходном напряжении, или минимальное сопротивление нагрузки R_н.мин ;

·  максимальное выходное напряжение в диапазоне линейного усиления. Для большинства типов ОУ величина U_{вых.мах}=( Е_п– 1,5)В, что составляет примерно - 10 В.

Переходные параметры:

·  скорость нарастания выходного напряжения V_u.вых- максимальная скорость изменения во времени напряжения на выходе ОУ (В/мкс) при подаче на вход большого сигнала;

·  время установления выходного напряжения t_уст время за которое выходное напряжение достигает свое стационарное значение с заданной точностью.

Параметры цепи питания:

·  напряжение питания ± Е_п ;

·  потребляемый ток I_пот .

·  потребляемая мощность. Мощность (без нагрузки) потребляемая операционным усилителем.

Важной характеристикой ОУ является его амплитудная (передаточная) характеристика. Она приведена на рис.3 – U_вых =f (U_вх+ , U_вх-). Кривая 1 соответствует выходному напряжению при входном напряжении на инвертирующем входе и нулевом напряжении на неинвертирующем входе, т.е. U_вых=f(U_вх-)|_{Uвх+= 0} . Кривая 2 – U_вых= f(U_вх+)|_{Uвх-= 0} . По амплитудной характеристике можно определить К_оу=U_вых/U_вх , и U_см – напряжение смещения – это постоянное напряжение на входе при котором выходное напряжение равно нулю, т.е. ОУ - сбалансирован, U_сдв – напряжение сдвига - это постоянное напряжение на входе, когда U_вх- = U_вх+ = 0. Типовые значения: Коу=10⁴¸10⁷ ; U_см = 5...20 мВ.

При упрощенном анализе схем, содержащих ОУ, удобно пользоваться понятием "идеального ОУ", для которого:

1. К_оу= ∞ ;

2. R_вх – входное сопротивление = ∞ ;

3. R_вых – выходное сопротивление = 0 Ом;

4. U_вых= 0 при U_вх- = U_вх+ = 0 т.е. ОУ сбалансирован; 5. f – диапазон усиливаемых частот =∞; 6. I_вх – входной ток 0А.

Из параметров идеального ОУ следует, что его входы виртуально замкнуты т.е. U_вх- = U_вх+ , а R_вх=∞. Это утверждение следует из того, что при К_оу= ∞ напряжение U_вых = К_оу (U_вх+ - U_вх-) всегда конечно и по значению меньше напряжения питания Е_п , что может иметь место только в том случае когда выполняется условие

(U_вх+ - U_вх-)= 0 или (U_вх+ =- U_вх-).

Реально идеальных ОУ не существует. Однако параметры реальных ОУ, с точки зрения погрешностей создаваемых ими, близки к идеальным. Это позволяет использовать понятие идеального ОУ, что существенно упрощает анализ схем, содержащих ОУ. Обычно в устройствах содержащих ОУ он используется не самостоятельно, а с элементами внешней обратной связи, которые целиком определяют его передаточную и частотную характеристику.

В действительности при расчете схем содержащих ОУ следует учитывать конечные значения R_{вх оу} , R_{вых оу} и полосы пропускания. Так номиналы резисторов, подключаемые к выводам ОУ, должны удовлетворять очевидным неравенствам

R_min ≥ 10 R_{вых оу} , R_max ≤R_{вх оу}/10. (1)

Номиналы емкостей, с одной стороны должны быть значительно больше паразитных емкостей схемы. С другой стороны, эти емкости не должны быть большими, так как при этом увеличиваются габариты устройства и потери в конденсаторах.

Рис.1.1.

Для низкочастотных устройств (фильтров) частота единичного усиления должна удовлетворять неравенству

f_{1 оу} ≥ f₀К_о ;

для высокочастотных устройств (фильтров) неравенство оказывается еще более жестким

f_{1 оу} ≥ 100f₀К_о ,

здесь f₀ – граничная частота устройства; К_о – коэффициент усиления устройства в полосе пропускания.

Операционные усилители, выполняемые в виде монолитных ИМС, можно классифицировать следующим образом.

1. По типу транзисторов, используемых во входных каскадах:

– ОУ на биполярных транзисторах, имеющие малое напряжение смещения нуля, но значительные входные токи и сравнительно невысокое входное сопротивление (~ 10⁶ Ом);

– ОУ с полевыми транзисторами на входе, в которых достигаются высокое входное сопротивление (~10⁹ – 10¹² Ом) и малые входные токи, но возрастает напряжение смещения нуля.

2. По выходной мощности:

– стандартные ОУ, которые отдают в нагрузку с сопротивлением Rн=2 кОм номинальную выходную мощность ~50 мВт;

– мощные ОУ с выходной мощностью от единиц до нескольких десятков ватт;

– микромощные ОУ, в которых мощность, потребляемая в режиме покоя, очень мала (~10^-6 Вт).

3. По области применения:

– ОУ общего применения, характеризуемые низкой стоимостью, малыми размерами, широким диапазоном напряжения питания, защищенным входом и выходом, не очень высокой частотой f₁ ;

– специальные ОУ, которые, в свою очередь, разделяются на прецизионные, измерительные, электрометрические, программируемые ОУ и т.п.

Параметры некоторых типов ОУ могут изменяться за счет введения частотной коррекции и токового программирования. Частотная коррекция может быть введена в схему ОУ при его изготовлении. Это, так, называемые ОУ с внутренней коррекцией. На рис.1, приведена АЧХ ОУ с внутренней коррекцией. Как известно, такая форма АЧХ обеспечивает устойчивость схем на ОУ при любом требуемом коэффициенте усиления, что достигается за счет существенного ухудшения частотных свойств ОУ. В случае широкого спектра усиливаемого сигнала частотные свойства ОУ накладывают ограничения на значение коэффициента усиления, который можно получить в схеме усилителя, используя данный ОУ. Например, если верхняя граничная частота единичного усиления составляет f₁ = 10⁶ Гц, то максимально возможное усиление в схеме усилителя на ОУ, на частоте 10⁴ Гц, имеющем АЧХ, приведенную на рис.1, составит 40 дБ. При этом следует иметь в виду, что в диапазоне частот от 25 Гц до 50 кГц глубина Р отрицательной обратной связи в схеме усилителя будет уменьшаться и при f1 = 10 кГц составит Р = 1.

Использование внешних корректирующих элементов позволяет, как правило, обеспечить устойчивую работу ОУ в требуемом диапазоне изменения коэффициента усиления при меньшем ухудшении частотных свойств, но приводит к усложнению схемы усилителя.