Проектирование измерительного усилителя напряжения

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.

Проектирование масштабного измерительного усилителя.

Структурная схема.

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:

1 — линейные сравнивающие (вычитающие) устройства.

2 — электронные усилители.

3 — обратные связи.

4 — разделительные RC цепи, не пропускающие постоянную.

составляющую Согласно техническому заданию Uвх min =150 мкВ Кусил =300.

Uвх mаx =20 мВ Rвх =5 МОм.

Rнагр =200 Ом.

Расчетная часть.

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:

Куи=106 Iпот=4,7мА.

Uсм=30мкВ ?Uсм/С°=0,6мкВ/С°.

I вх=40нА ?Iвх=±35нА.

Rвх.диф=6•106Ом Uпит=15В±10%.

Т=-10ч70С0.

Рассчитаем изменение входного сопротивления в полосе рабочих частот (150ч8000Гц). 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 ДZ в полосе частот 150ч8000Гц 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 =15 В, t=+250c — f1=25МГц.

С помощью ЛАЧХ находим, что на частоте f=150Гц коэффициент усиления усилителя Куи (wН)?170•103 (110дБ), а на f=8000Гц коэффициент усиления Куи (wB)?3•103 (70дБ).

Коэффициент усиления рассчитаем по формуле:

Так как входное сопротивление достаточно большое и резисторы R1 и R2 необходимо брать большими.

Примем R1, R2 равными 2,2 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:

Коэффициент ОС:

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. ?Uсм/С° = 0,6 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=50 В, Iпр=50mА).

[2, стр.184].

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:

Куи=106 Iпот=4,7мА.

Uсм=30мкВ ?Uсм/С°=0,6мкВ/С°.

I вх=40нА ?Iвх=±35нА.

Rвх.диф=6•106Ом Uпит=15В±10%.

Т=-10ч70С0.

Сопротивление R5 возьмём равным 2,2 кОм. Далее рассчитаем сопротивление R6, для усилителя с коэффициентом усиления 25, отрицательной обратной связи по формуле:

Рассчитаем сопротивление R7:

Найдём коэффициенты усиления усилителя на нижней и верхней границах частот усилителя:

Коэффициент частотных искажений МПРОМ :

Фазовый сдвиг промежуточной части в полосе рабочих частот.

равен 180°.

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 усилитель измерительный питание напряжение 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 VD3, VD4 (КД519Б Uобр=40 В, 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=0,045 В. 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 20ч50, 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:

UK max K <½ E? ½ UКЭ max ;

IK max K.

PH max <¼ UКЭ max•IK max ;

PH max <(2ч3)PK max ;

КТ206А — транзистор кремниевый n-p-n усилительный.

h21э=30, UКЭ макс=20 В, IK макс=20mА.

КТ207Б — транзистор кремниевый p-n-p усилительный.

h21э=30, UКЭ макс=30 В, IK макс=10mA.

Выбрав R8 равным 2,2кОм рассчитаем параметры сопротивлений:

Найдём коэффициенты усиления усилителя на нижней и верхней границах частот усилителя:

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 1,5Тл, средней плотности тока в обмотках 2,5А/кв. мм, максимальной температуре 50С0. Первичное напряжение 220 В, вторичное напряжение 20 В, максимальный ток нагрузки 1,5А, полученная расчётная мощность 34,5Вт при произведении площади сечении магнитопровода на площадь его окна ?30,71 см². Выбрав площадь сечения равным 40 см² ток в первичной обмотке равен 0,16А. Для защиты трансформатора от короткого замыкания и перегрузок установим предохранитель FU1.

Так как в схеме используются три операционных усилителей с током потребления Iпот=4,7мА каждая, имеем:

Интегральные стабилизаторы напряжения LM78M15ACZ — стабилизирующий напряжение положительной полярности (Umin=+17,5B, Umax=+35B, Uстаб=+15 В, Ppacc=7,5Bт, Imax=0,5A) и LM79M15ACZ — стабилизирующий напряжение отрицательной полярности (Umin=-17,5B, Umax=-35B, Uстаб=-15 В, Ppacc=7,5Bт, Imax=0,5A). 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].

• 1. В. Г. Гусев, А. В. Мулик «Проектирование электронных аналоговых измерительных устройств. Учебное пособие» УГАТУ, 1990.
• 2. Б. Грабовски «Краткий справочник по электронике; Пер. с фр. Хаванов А. В. — 2-е изд., испр. — М.: ДМК Пресс» 2004.
• 3. В. Е. Китаев и др. «Расчёт источников электропитания устройств связи», 1993.
• 4. И. П. Достал «Операционные усилители. — М.: Мир» 1982
• 5. Т. М. Агаханян «Интегральные микросхемы. — М.: Энергоатомиздат» 1983.
• 6. А. А. Зайцев, А. И. Миркин и др. «Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: справочник — 2-е изд., стереотип. — М.: Радио и связь» 1994.
• 7. Журнал «Схемотехника» № 1 октябрь 2000 г.
• 8. Журнал «В помощь радиолюбителю» № 110 1991г.
• 9. Курс лекций по дисциплине «ИИТ и электроника».