Список рекомендуемых источников 2 страница

- преимущества использования данной схемы в проектируемом устройстве;

- недостатки использования данной схемы в проектируемом устройстве.

В заключение обзора необходимо сделать обоснованный выбор одной схемы по каждому блоку, использование которых наиболее оправдано в данной курсовой работе. Рассмотренные в анализе схемы приводятся на листе графической части (типовой формат А1). Пример оформления листа приведен в приложении В.

В части расчета выбранных блоков приводится расчет параметров дискретных элементов, входящих в схемы выбранных блоков. Производится построение графических характеристик, поясняющих работу этих устройств, а также обоснование и выбор элементов, расчет которых не производится (например, операционных усилителей). После расчета значений параметров элементов производится анализ погрешностей блоков. Данная часть должна содержать:

- исходные данные для расчета;

- математические зависимости, описывающие параметры элементов и их связь с функционированием блока;

- расчетные соотношения в численном виде;

- расчетные значения параметров дискретных элементов;

- выбранные модели и номинальные значения параметров дискретных элементов, в соответствие с рядами номинальных значений;

- графические зависимости, поясняющие работу разрабатываемых блоков;

- анализ погрешностей разработанных блоков.

4.6.2 Пример выполнения индивидуального задания, часть Обзор схемотехнических решений

Необходимо выбрать схемотехнические решения для следующих блоков: дифференциальный усилитель, ПТН.

5.1 Дифференциальные (измерительные) усилители

5.1.1 Измерительный усилитель на одном операционном усилителе

На рисунке 5.1 представленная схема измерительного усилителя на одном операционном усилителе, который является самым простым и самым дешёвым измерительным усилителем.

Рисунок 5.1 – Измерительный усилитель на одном операционном усилителе

Резисторы и действуют как делитель напряжения для неинвертирующего входа операционного усилителя (ОУ). Благодаря обратной связи через резисторы и и очень большому внутреннему коэффициенту усиления ОУ напряжение на инвертирующем входе усилителя поддерживается равным напряжению на неинвертирующем входе. Отношение определяет коэффициент передачи усилителя [8]. При выполнении условия усиление дифференциального сигнала намного больше усиления синфазного сигнала, и коэффициент ослабления синфазного напряжения (КОСС) будет максимальным [3].

Дифференциальный коэффициент усиления определяется следующей формулой:

, (5.1)

где – коэффициент усиления ОУ, .

Дифференциальное входное сопротивление:

. (5.2)

Представленная схема имеет низкое входное сопротивление и предназначена для подключения низкоомных источников сигналов. Подача сигналов от высокоомного источника приведет к потерям из-за шунтирования входного сигнала и ухудшению подавления синфазного напряжения. Увеличение значений входных резисторов (, ) повышает входное сопротивление, но при этом увеличивается дрейф смещения из-за нестабильности входных токов смещения, сужается ширина полосы пропускания из-за влияния паразитных емкостей, и повышается уровень шума [8].

5.1.2 Измерительный усилитель с Т-образной схемой в обратной связи операционного усилителя

Для увеличения коэффициента усиления применяют Т-образное соединение резисторов обратной связи. Схема данного измерительного усилителя представлена на рисунке 5.2. Она позволяет изменять коэффициент усиления без заметного влияния на значение КОСС. Так же данная конфигурация допускает применение высокоомных входных резисторов для повышения входного сопротивления [8].

Коэффициент усиления можно выразить следующей формулой:

. (5.3)

где k – коэффициент пропорциональности.

Коэффициент усиления нелинейно зависит от k, и в схеме требуется три пары согласованных резисторов, всё это является недостатком данной схемы.

Рисунок 5.2 – Измерительный усилитель с Т-образной схемой в обратной связи операционного усилителя

Недостатком данной схемы является то, что при больших значениях коэффициента усиления дифференциального усилителя (1000 и более) приходится учитывать конечное значение собственного коэффициента усиления ОУ K_U. Если он недостаточно велик, появляется значительная погрешность дифференциального коэффициента усиления [8].

5.1.3 Измерительный усилитель на двух операционных усилителях

Все рассмотренные выше схемы пригодны для усиления сигналов источников с низким выходным сопротивление, таких, например, как измерительный шунт. Для приема и усиления сигналов источников с относительно большим выходным сопротивление, например, мостовых схем, требуются усилители с входным сопротивление совершенно иного, гораздо более высокого порядка [8].

Стоит отметить, что значительно большим входным сопротивлением обладают ОУ в неинвертирующем включении. На рисунке 5.3 представлен измерительный усилитель на двух операционных усилителях в неинвертирующем включении.

Выходной сигнал усилителя подается на инвертирующий вход , поэтому усилитель , усиливает дифференциальный входной сигнал [11].

Рисунок 5.3 – Измерительный усилитель на двух операционных усилителях

Дифференциальный коэффициент усиления при , и :

. (5.4)

Такая схема обеспечивает намного больший входной импеданс, чем схема с одним ОУ [11].

5.1.4 Измерительный усилитель на трех операционных усилителях

На рисунке 5.4 приведена стандартная схема двухкаскадного измерительного усилителя на базе ОУ, принятая в качестве стандартной схемы измерительного усилителя.

Первый каскад, состоящий из усилителей и , усиливает дифференциальный сигнал в раз, и коэффициент передачи для синфазного напряжения равен 1. Следовательно, дифференциальный сигнал увеличивается на выходах и , без увеличения синфазного сигнала. Второй каскад, выполненный на ОУ , в дифференциальном включении усиливает дифференциальный сигнал в раз [8].

Данная схема имеет более высокий входной импеданс и обеспечивает большее усиление и лучший КОСС по сравнению со схемами на двух ОУ. Кроме того, величина КОСС менее чувствительна к точности подбора резисторов [8].

Рисунок 5.4 – Измерительный усилитель на трех операционных усилителях

Дифференциальный коэффициент усиления:

. (5.5)

Недостатком данной схемы является то, что шумовые характеристики измерительных усилителей на трех ОУ имеют некоторые особенности. Низким внутренним шумом обладают только входные усилители. Шум выходных усилителей значительно больше. Поэтому измерительные усилители с большим коэффициентом усиления имеет шум, приведенный к входу, значительно меньший, чем тот же измерительный усилитель с единичным усилением. То же самое можно сказать и о смещении нуля [3].

5.1.5 Измерительный усилитель с согласованными

транзисторами

Применение согласованных пар транзисторов позволяет разработчику дополнить входной каскад операционного усилителя специально спроектированной схемой. В схеме с согласованными биполярными транзисторами, приведенной на рисунке 5.6, используется обратная связь по току.

Рисунок 5.5 – Измерительный усилитель с согласованными

транзисторами

Схема содержит входной дифференциальный каскад на транзистора и , питающийся от согласованных генераторов токов на транзисторах и . Транзисторы и с резисторами , , и диодами и образуют генераторы стабильных токов . Дифференциальное входное напряжение оказывается приложенным к резистору , входные транзисторы и играют в этом случае роль эмиттерных повторителей. Протекающий через резистор ток вызывает разбаланс токов в плечах входного каскада. Этот разбаланс токов создает дифференциальное напряжение на входах усилителя из-за различного падения напряжения на равных резисторах и . Усилитель стремится скомпенсировать этот разбаланс, подавая ток во входной каскад через резисторы , и , формируя при этом выходное напряжение [8].

Дифференциальный коэффициент усиления при , ,

. (5.6)

Измерительный усилитель с согласованными транзисторами применяется в случае, когда требуется очень низкий уровень шума, малый дрейф или минимальный потребляемый ток. Всё это является неоспоримым преимуществом данной схемы [8]. Однако при выборе элементов и их значений необходимо учитывать множество моментом, что не всегда удобно.

5.2 Преобразователи ток-напряжение

5.2.1 Простейший преобразователь ток-напряжение

На рисунке 5.6 представлен простейший преобразователь ток-напряжение.

Рисунок 5.6 – Простейший преобразователь ток-напряжение

Входное сопротивление преобразователя определяется включенными параллельно входным сопротивлением и сопротивлением , уменьшенным в раз:

, (5.7)

Если , то входной ток i_вх полностью протекает через сопротивление и создает на нем падение напряжеие :

, (5.8)

При большом , а соотвественно при малом сигнале между входами исилителя, выходное напряжение близко к напряжению :

. (5.9)

Недостатком данного преобразователя ток-напряжение в том, что он работает при малом внутреннем сопротивлении источника входного тока, при котором усилитель имеет большой коэффициент усиления по напряжению , а соответственно большое смещение нулях выходного напряжения, которое существенно меняется при изменениях внутреннего сопротивления у источника входного сигнала. При наличии у него реактивной составляющей возникают сложности с устойчивостью [4].

5.2.2 Преобразователь ток-напряжение на трех операционный усилителях

В отличие от простейшего преобразователя ток-напряжение преобразователь на трех операционных усилителях представленный на рисунке 5.7, свободен о тех недостатков.

В нём операционный усилитель , непосредственно выполняет функцию преобразователя ток-напряжение, имеет большое сопротивление , такого же порядка, что и . Поэтому даже при нулевом сопротивлении источника входного сигнала смещение выходного напряжения не превышает значения , которое не велико.

Рисунок 5.7 – Преобразователь ток-напряжение на трех операционных усилителях

Усилители и обеспечивают уменьшение входного сопротивления, определяемого резистором .

, (5.10)

Из уравнения (5.10) видно, что та часть входного сопротивления преобразователя ток-напряжение, которая определяется резистором , существенно снижается. Оно тем меньше, чем больше коэффициент усиления операционных усилителей , , зависящие от номиналов резисторов . Влияние напряжений смещения нуля ОУ в этой схеме невелико, так как даже при коротком замыкании входных зажимов коэффициент усиления по напряжению ОУ меняются значительно меньше, чем в случае простейшего ОУ [4].

5.2.3 Преобразователь ток-напряжение на одном операционном усилителе

Преобразователь, представленный на рисунке 5.8, построен по принципу усиления напряжения, которое возникает при протекании тока через резистор R 6.

Рисунок 5.8 – Преобразователь ток-напряжение на операционном усилителе

Достоинством данной схемы является то, что для настройки операционного усилителя при служит резистор . Часть входного тока ответвляется в цепь , , . Резистор – проволочный (нихром).

5.2.4 Преобразователь ток-напряжение с Т-образной схемой в обратной связи операционного усилителя

Для того чтобы не использовать резисторы слишком больших номиналов, так как у них низкая стабильность и они довольно дорогие, можно использовать Т-образную обратную связь. На рисунке 5.9 представлен преобразователь ток-напряжение с Т-образной схемой в обратной связи операционного усилителя.

Рисунок 5.9 – Преобразователь ток-напряжение с Т-образной схемой в обратной связи операционного усилителя

Такое соединение позволяет повысить коэффициент преобразования без использования высокоомных резисторов, но это возможно только при достаточном запасе собственного коэффициента усиления ОУ.

Т-образное соединение имеет серьезный недостаток, заключающийся в усилении напряжения смещения ОУ в раз, что иногда может ограничить его применение [8].

, (5.13)

. (5.14)

Монтаж должен производиться так, чтобы предотвратить шунтирование Т-звена сопротивлением утечки, то есть обеспечить хорошую изоляцию [8]. Всё это является ещё одним недостатком данной схемы.

5.2.5 Преобразователь ток-напряжение с нулевым сопротивлением

Схема преобразователя ток-напряжение с нулевым сопротивлением представлена на рисунке 5.10. Схема представляет собой трехполюсник, два входа которого включены в исследуемую цепь, а третий является выходом.

Рисунок 5.10 – Преобразователь ток-напряжение с нулевым сопротивлением

(5.15)

где – коэффициент усиления ОУ, .

Благодаря отрицательной обратной связи через резисторы и разность потенциалов между входами первого отрицательного усилителя и второго – равна нулю. При этом напряжение выхода ПТН пропорционально преобразуемому току [10].

В качестве схемы преобразователя ток-напряжение выберем схему ПТН с нулевым сопротивлением усилителя, которая позволяет получить выходное напряжение пропорциональное входному току с фотодиодов, что обеспечивает отсутствия появления артефактов в измеренном сигнале и высокое качество его преобразования.

В качестве схемы усилителя целесообразно выбрать схему, реализованную на трех операционных усилителях. Выбор данной схемы обусловлен обеспечением высокого входного сопротивления, а также легкостью реализации необходимого коэффициента усиления. Кроме того, измерительные усилители на трех ОУ выпускаются в виде интегральных микросхем с внутренними согласованными резисторами (INA116, MAX4197, MAX4197 и другие). Обычно эти интегральные микросхемы имеют фиксированный коэффициент усиления или выводы для подключения внешнего резистора, которым задается дифференциальный коэффициент усиления [3].

4.6.3 Пример выполнения индивидуального задания, часть Расчет выбранных блоков

Разработка дифференциального усилителя, преобразователя ток-напряжение. В таблице 7.1 представлены операционные усилители с их основными параметрами для сравнения и выбора наиболее подходящего.

Таблица 7.1 – Операционные усилители

	Параметр	OPA365	LMP2021	LMC6061	MAX9617
	Кус, дБ						8,5		13,5
	Uсм, мВ		0,05	0,01		1,3	7,69		0,4
	Iвх, нA	0,01		0,3	26,7	0,1		3,5	2,29
	Полоса пропускания, МГц					0,1	0,02	1,5	0,3
	Скорость нарастания напряжения, В/мкс		4,17	2,6	0,43		5,83	0,7	0,12
	КОСС, дБ				17,4		10,6		16,9
	Потребляемый ток, мА		0,8	1,57	2,6	0,048	83,3	0,078	51,3
Сумма	842,02	1064,13	195,94	84,81

Исходя из данных, представленных в таблице 7.1 видно, что в качестве операционного усилителя для, дифференциального усилителя и ПТН целесообразно выбрать интегральную микросхему LMP2021.

Расчет параметров и выбор элементов преобразователей ток-напряжение

Коэффициенты преобразования схем:

(7.1)

Входной ток преобразователя ток-напряжение 1 I_вх1= 100нА.

Входной ток преобразователя ток-напряжение 2 I_вх2= 100нА.

Выходное напряжение преобразователя ток-напряжение 1 U_{выхПТН1} =10^-7В.

Выходное напряжение преобразователя ток-напряжение 2 U_{выхПТН2} =10^-7В.

(7.2)

(7.3)

К_оу – коэффициент усиления операционного усилителя, К_оу =160дБ.

Выберем резисторы R 14, R 15, R 18, R 34, R 35, R 37 номиналом 10 Ом (ряд E96) типа С2-23, допустимое отклонение 0,5%.

Ом (ряд Е96) типа С2-23допустимое отклонение 0,5%.

Ом (ряд Е96) типа С2-23 допустимое отклонение 0,5%.

Выберем резисторы R 5, R 6, R 8, R 4, R 23, R 26, R 27, R 29 номиналом 10кОм (ряд E96) типа С2-23, допустимое отклонение 0,5%.

Расчет параметров и выбор элементов дифференциального усилителя

Коэффициент преобразования схемы:

(7.4)

U_выхУ =5В; U_вх1 =10^-4В; U_вх2 =2·10^-4В

(7.5)

Выберем резистор R 12 номиналом 1 Ом (ряд E96) типа С2-23, допустимое отклонение 0,5%, резисторы R 17, R 20 номиналом 500 Ом (ряд E96) типа С2-23, допустимое отклонение 0,5%, резистор R 13 номиналом 100 Ом (ряд E96) типа С2-23, допустимое отклонение 0,5%,

Ом (ряд Е96) типа С2-23 допустимое отклонение 0,5%.

Выберем резисторы R 19, R 21 номиналом 10кОм (ряд Е96) типа С2-23 допустимое отклонение 0,5%.

Расчет погрешностей.

Погрешности дифференциального усилителя.

Неточность сопротивлений резисторов, входящих в схему дифференциального усилителя вызывает как мультипликативные, так и аддитивные погрешности. Для расчета примем допустимое отклонение прецизионных резисторов равное .

Мультипликативная погрешность будет равна

(8.1)

где – погрешность, обусловленная отличием сопротивления резистора R_k от номинального значения.

Аддитивная погрешность будет равна

(8.2)

где u_сф – синфазное напряжение;

U_ДН – номинальный дифференциальный входной сигнал.

Наличие ослабления синфазного сигнала применяемого усилителя приведет у появления аддитивной погрешности, приведенное значение которой определятся

(8.3)

где M_сф – коэффициент ослабления синфазного сигнала.

Дата добавления: 2015-05-06