Масштабный измерительный усилитель напряжения

Блок питания Моя КР1.cdw

Усилитель Моя КР1.cdw

Моя КР1.doc

Техническое задание
Разработать масштабный измерительный усилитель напряжения с источником питания и с защитой от перенапряжения входного сигнала. Напряжение питания 220 В 50 Гц. Технические условия приведены ниже. Параметры значения которых в таблице не указаны необходимо рассчитать после проектирования.
Минимальное входное напряжение мкВ
Максимальное входное напряжение мВ
Входное сопротивление в полосе рабочих частот Мом
Коэффициент усиления по напряжению (для диапазона минимальных значений)
Нижняя граница диапазона частот усилителя Гц
Верхняя граница диапазона частот усилителя Гц
Погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот на
Дополнительный фазовый сдвиг в полосе рабочих частот не более град
Приведённый температурный дрейф нуля не более мкВград
Минимальное сопротивление нагрузки Ом
Рабочий диапазон температур С0
Погрешность входного сопротивления не более %
Коэффициент частотных искажений не более
Проектирование масштабного измерительного усилителя
Параметры усилителя даны техническим заданием. Реализуем входную выходную и промежуточную части как отдельные усилители. А так как получение требуемых параметров зависит от вида обратной связи охватывающей ОУ то целесообразно применять местные обратные связи для каждого ОУ в отдельности.
Предварительная структурная схема всего усилителя будет иметь следующий вид:
– линейные сравнивающие (вычитающие) устройства
– электронные усилители
– разделительные RC цепи не пропускающие постоянную
Согласно техническому заданию Uвх min =150 мкВКусил =300
Uвх mаx =20 мВ Rвх =5 МОм
Проектирование входной части
Входную часть усилителя реализуем на неинвертирующей схеме включения операционного усилителя с коэффициентом усиления – 2. Коэффициент усиления равный 2 примем для согласования источника напряжения и входным сопротивлением усилителя.
Для входной части выберем операционный усилитель К140УД25А имеющий следующие характеристики:
Uсм=30мкВ UсмС°=06мкВС°
Rвх.диф=6106Ом Uпит=15В±10%
Рассчитаем изменение входного сопротивления в полосе рабочих частот (150÷8000Гц). В области высоких частот значение входного сопротивления может изменять паразитная ёмкость входа. Её значение в техническом условии на ОУ отсутствует. Поэтому при оценке влияния Свх приходится брать её ориентировочное значение. Примем что Свх = 10-12 Ф. Тогда на частотах f=150Гц и f=8000Гц ёмкостная составляющая входного сопротивления равна:
Расчёт будем производить при входном сопротивлении равном 5 мОм. Находим модуль входного сопротивления на частотах f=150Гц и f=8000Гц:
Изменение входного сопротивления ΔZ в полосе частот 150÷8000Гц определим:
что составляет 3% от заданной величины входного сопротивления.
Частотные погрешности вносятся всеми цепями усилителя. При этом обычно наибольшую часть частотных и нелинейных искажений имеют выходные части а наименьшую – входные.
Пусть для нашего случая коэффициент частотных искажений усилителя М на нижней границе частот f=150Гц - (wнижн) а на верхней частоте f=8000Гц - (wверхн).
Коэффициент частотных искажений усилителя равен произведению коэффициента частотных искажений отдельных частей:
Значение коэффициента усиления ОУ на частоте wнижн и wверхн можно определить или с помощью АЧХ ОУ которая обычно имеется в справочных материалах или по известной частоте единичного усиления. Частота единичного усиления при Uпит =15В t=+250c - f1=25МГц.
С помощью ЛАЧХ находим что на частоте f=150Гц коэффициент усиления усилителя Куи(wН)170103 (110дБ) а на f=8000Гц коэффициент усиления Куи(wB)3103 (70дБ).
Коэффициент усиления рассчитаем по формуле:
Так как входное сопротивление достаточно большое и резисторы R1 и R2 необходимо брать большими.
Примем R1 R2 равными 22 кОм чтобы при этих параметрах сопротивлений усиление каскада было равно 2.
Для уменьшения сдвига нуля и уравновешивания тока на входе усилителя рассчитаем R3 по формуле:
Найдём коэффициенты усиления усилителя на нижней и верхней границах частот усилителя:
Коэффициент частотных искажений МВХ :
Температурный дрейф напряжения смещения всей схемы определяется входным каскадом т.е. UсмС° = 06 мкВ С0 из технических данных К140УД25А что удовлетворяет требованию ТЗ.
Фазовый сдвиг входной части в полосе рабочих частот равен 00 т.к. схема включения неинвертирующая и низкий коэффициент усиления.
Для защиты от перенапряжений входного сигнала используем двухдиодную схему где два идентичных диода включены встречно-параллельно (Д223 Uобр=50В Iпр=50mА)
Проектирование промежуточной части
Проектирование промежуточной части произведём согласно значению коэффициента усиления равной - 25. Так как имеем невысокий коэффициент усиления в промежуточной части спроектируем 1 каскад операционного усилителя. Промежуточную часть усилителя реализуем на инвертирующей схеме включения операционного усилителя.
Для промежуточной части по техническим данным выберем операционный усилитель К140УД25А имеющий следующие характеристики:
Сопротивление R5 возьмём равным 22 кОм. Далее рассчитаем сопротивление R6 для усилителя с коэффициентом усиления 25 отрицательной обратной связи по формуле:
Рассчитаем сопротивление R7:
Коэффициент частотных искажений МПРОМ :
Фазовый сдвиг промежуточной части в полосе рабочих частот
Согласно техническому заданию нижняя граница диапазона частот усилителя 150 Гц а верхняя граница диапазона частот 8000 Гц. Рассчитаем фильтры верхнего и нижнего диапазона усилителя.
Рассчитаем С1 для нижней границы по формуле:
Рассчитаем С2 для верхней границы по формуле:
Проектирование выходной части усилителя
По заданию усилитель должен иметь выходной ток 225 мкА при нагрузке 200 Ом и обеспечивать погрешность коэффициента усиления в полосе рабочих частот не более 3%.
Оценим максимальное выходное напряжение при нагрузке 200 Ом и токе на выходе усилителя 225 мкА.
Основываясь на данных полученные из расчета для выходной части используем микросхему К140УД25А в схеме включения инвертора напряжения (обеспечивающую требуемого фазового сдвига). Выходной каскад имеет усиление равный 6. Так как для ОУ К140УД25А сопротивление нагрузки должно быть не менее 2кОм используем усилитель мощности на транзисторах VT1 и VT2. Такие схемы позволяют получить большие выходные токи и обеспечивают получение малых выходных сопротивлений. Каждое из плеч выходного усилителя мощности работает в течении одного полупериода. Резистор R11 защищает ОУ от короткого замыкания на выходе. Диоды VD1 VD2 и VD3VD4 (КД519Б Uобр=40В Iпр=30mА) служат для перевода работы транзисторов. С помощью резисторов R12 и R13 задаётся ток диодов и падение напряжения на них. Резисторы R14 и R15 введены для защиты выходного каскада от короткого замыкания выходных зажимов (их выбираем так чтобы при Rнагр =0 токи транзисторов не превышали допустимые). Выходной каскад составляем исходя из следующих рассуждений – от выходного каскада требуется получить амплитуду выходного тока Iвых к=225мкА при выходном напряжении Uвых к=0045В. Зная что у ОУ минимальное сопротивление нагрузки равно 2кОм максимальная амплитуда выходного тока ОУ равна:
Для получения в нагрузке тока 225мкА коэффициент усиления по току выходного каскада должен быть равен:
Так как h21э у одного транзистора у которого IK max позволяет обеспечить в нагрузке нужное значение тока находится в пределах 20÷50 используем одно плечо выходных транзисторов. Таким образом по ориентировочной оценке одно плечо обеспечит получение требуемого коэффициента усиления по току с достаточно большим запасом.
Определившись со схемой приступим к выбору транзисторов согласно следующим условиям:
КТ206А – транзистор кремниевый n-p-n усилительный
h21э=30 UКЭ макс=20В IK макс=20mА.
КТ207Б – транзистор кремниевый p-n-p усилительный
h21э=30 UКЭ макс=30В IK макс=10mA.
Выбрав R8 равным 22кОм рассчитаем параметры сопротивлений:
Коэффициент частотных искажений МВЫХ :
Коэффициент частотных искажений всего усилителя равен:
Фазовый сдвиг в выходной части в полосе рабочих частот равен 180°. Общий сдвиг всего усилителя 0°.
Проектирование блока питания усилителя
Блок питания – устройство которое выпрямляет напряжение пониженное трансформатором стабилизирует и сглаживает его. В проектируемый блок питания войдут: выпрямитель двухполупериодный стабилизаторы напряжения на базе двух интегральных стабилизаторов напряжения сглаживающий фильтр.
Трансформатор применим согласно расчёту в программе «Трансформаторный калькулятор» выполненный по [3] где расчёт ведётся при частоте синусоидального тока 50Гц магнитной индукции сердечника 15Тл средней плотности тока в обмотках 25Акв. мм максимальной температуре 50С0. Первичное напряжение 220В вторичное напряжение 20В максимальный ток нагрузки 15А полученная расчётная мощность 345Вт при произведении площади сечении магнитопровода на площадь его окна ≥3071см2. Выбрав площадь сечения равным 40см2 ток в первичной обмотке равен 016А. Для защиты трансформатора от короткого замыкания и перегрузок установим предохранитель FU1.
Так как в схеме используются три операционных усилителей с током потребления Iпот=47мА каждая имеем:
Интегральные стабилизаторы напряжения LM78M15ACZ - стабилизирующий напряжение положительной полярности (Umin=+175B Umax=+35B Uстаб=+15В Ppacc=75Bт Imax=05A) и LM79M15ACZ - стабилизирующий напряжение отрицательной полярности (Umin=-175B Umax=-35B Uстаб=-15В Ppacc=75Bт Imax=05A ). На входе и выходе микросхем ставим сглаживающий фильтр выполненный на конденсаторах емкостью не менее 10-15мкФ [7 стр.64] уменьшающий пульсацию выходного напряжения.
В качестве двухполупериодного выпрямителя возьмём выпрямительную сборку типа КЦ412А (Uобр=50B Iпр=1A) [8 стр.46].
В.Г. Гусев А.В. Мулик «Проектирование электронных аналоговых измерительных устройств. Учебное пособие» УГАТУ 1990.
Б. Грабовски «Краткий справочник по электронике; Пер. с фр. Хаванов А.В. – 2-е изд. испр. – М.: ДМК Пресс» 2004.
В.Е. Китаев и др. «Расчёт источников электропитания устройств связи» 1993.
И.П. Достал «Операционные усилители. – М.: Мир» 1982
Т. М. Агаханян «Интегральные микросхемы. – М.: Энергоатомиздат» 1983.
А.А. Зайцев А.И. Миркин и др. «Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: справочник – 2-е изд. стереотип. – М.: Радио и связь» 1994.
Журнал «Схемотехника» №1 октябрь 2000г.
Журнал «В помощь радиолюбителю» №110 1991г.
Курс лекций по дисциплине «ИИТ и электроника».

Перечень элементов2(ПЭ) Моя КР1.cdw

Перечень элементов1(ПЭ) Моя КР1.cdw