Прецизионный усилитель.
Введение.
Прецизионные усилители характеризуются стабильным коэффициентом усиления в заданном диапазоне рабочих частот и температур. Они широко используются в системах сбора данных, в устройствах выборки и хранения сигнала, телеметрических системах и измерительной технике. Основным звеном прецизионного усилителя является операционный усилитель.
Техническое задание.
Спроектировать прецизионный усилитель на операционных усилителях.
Таблица 1. Параметры технического задания.
1 |
Коэффициент передачи |
10000 |
|
| |
2 |
Нестабильность коэффициента передачи |
3 |
| ||
3 |
Температурная нестабильность коэф. передачи |
1,5 |
|
%/ | |
4 |
Минимальная рабочая температура |
-10 |
| ||
5 |
Максимальная рабочая температура |
+50 |
| ||
6 |
Номинальная рабочая температура |
+20 |
| ||
7 |
Нижняя граничная частота |
1000 |
|
Гц | |
8 |
Верхняя граничная частота |
50000 |
|
кГц | |
9 |
Нестабильность уровня АЧХ на нижней частоте |
0.2 |
|
дБ | |
10 |
Нестабильность уровня АЧХ на верхней частоте |
0.2 |
|
дБ | |
11 |
Сопротивление нагрузки |
5 |
|
кОм | |
12 |
Напряжение генератора входного сигнала |
0.5 |
|
мВ | |
13 |
Входное сопротивление |
10 |
|
кОм |
Анализ технического задания.
Как можно видеть из требований, данный усилитель является прецизионным. Соответственно резисторы, отвечающие за коэффициент усиления каждого каскада должны быть также прецизионными. Конденсаторы, используемые в качестве фильтров, могут иметь достаточно большую погрешность.
Расчёт и выбор операционного усилителя.
максимальное выходное напряжение ОУ Uвых :
Uвых 1.2Um вых. max = 1.2К0Um вх,max= 1.2*10000*0.5*10-3= 6 В;
Cкорость нарастания выходного напряжения ОУ:
Vu вых 2fвUm вых. max= 2*3.14*50000*5= 1.6 В/мкс;
Допустимое сопротивление нагрузки ОУ(приводится в паспорте на микросхему)
Rн max Rн=2кОм;
Величина напряжения источника питания Uп Uвых +2В = 8 В.
Выберем типовое значение источника питания в 9 В.
Uп=9В;
Нестабильность коэффициента усиления ОУ К можно определить из следующей формулы
max, где - температурный дрейф коэффициента усиления равный 1.5 %/С,Тмах - максимальный интервал температур
Тмаx=60оС
К = 0.5*1.5%/С*60С =45%;
Теперь пользуясь полученными данными, рассчитаем для различных n' (число каскадов в ПУ), начиная с единицы, величинуКR– относительную погрешность коэффициента усиления ПУ, обусловленную неточностью резисторов в цепи ООС и их нестабильностью. Для этого воспользуемся формулой (принимая К=50000 ):
;
n' = 1=-6%
n' = 2= 1,5%
n' = 3=1%
n' = 4= 0,75 %;
При n’=2 требования выполняются, но частота единичного усиления при этом слишком большая.
Выбираем соответствующуюn' = 3, погрешность резисторов при этом приемлема.
.
Ток, потребляемые ОУ Iпот (величина Iпот приводится в паспорте на микросхему) определяется как:
Итак, получены следующие параметры необходимые для выбора подходящего ОУ:
Uвых 6 В; Vu вых 1.6 В/мкс; Rн max 5кОм; f18.7 МГц.
Согласно имеющимся справочным данным наиболее подходящий полученным требованиям и требованиям технического задания оказывается усилитель К574УД1.
Приведём ряд данных по этому усилителю:
Напряжение смещения нуля Uсм = 50 мВ;
Входные токи Iвх= 0,5нА;
Частота единичного усиления f1 = 10 МГц;
Скорость нарастания выходного напряжения Vu вых = 50 В/мкс;
Коэффициент ослабления синфазного сигнала Коссф = 60дБ;
Максимальное выходное напряжение Uвых.мах = 10 В;
Входное сопротивление Rвх = 10000 МОм.
Напряжение питания Uп=8-17В