Проектирование аналоговых и цифровых электронных устройств измерительных приборов и систем

 

                     При    γK'_U >>1                                             (1.1) 

 

Из (1.1) следует, что коэффициент усиления ОУ в инвертирующем включении определяется только отношением сопротивлении R₁ и R₂    и не зависит от собственного коэффициента усиления ОУ  K'_U, который изменяется с изменением tºС окружающей среды на десятки процентов, так как  R₁ и R₂ изготавливаются с погрешностью менее одного процента, обычно на уровне 0,1%, то коэффициент усиления удерживается с погрешностью 0,1%, а сам усилитель играет роль высококачественного измерительного усилителя.

U'_ВХ → 0

I₁ = Ù_ВХ ∕ R₁          I₂= Ù_ВЫХ ∕ R₂

 

I₁=I₂= U_ВХ ∕ R₁= U_ВЫХ ∕ R₂ =>K_U.ИВ= U_ВЫХ ∕ U_ВХ= - R₂/R₁

        

      (1.2)   

Из формулы (1.2) следует, что входное и выходное сопротивление ОУ в инвертирующем включении вследствие параллельного ООС по напряжению уменьшается в (1+  γ· K'_U) раз.

б) неинвертирующее включение ОУ

Рис.8. Неинвертирующее включение ОУ

 

    U_OC= - U_ВЫХ/(R₁+R₂)*R₁= - U_ВЫХ*γ

 

 ( - U_ВЫХ*γ+U_ВХ)*K'_U=U_ВЫХ, где

 

  K_U.НВ=U_ВЫХ/U_ВХ=K'_U/(1+γK'_U), при   γ· K'_U>>1

 

                 (1.3)                              

 

Из (1.3) видно, что коэффициент усиления по напряжению ОУ в неинвертирующем включении является положительным и на единицу больше, чем в предыдущей схеме

  R_{вх. нв} =R^'_вх/(1+γK^'_U)                  

                                              (1.4)                                                                                                                                                                                             

 

Из (1.4) следует, что неинвертирующее включение ОУ приближает его параметры к параметрам идеального усилителя, то есть стабилизирует коэффициент усиления (K_U), повышается его входное сопротивление (R_ВХ) и уменьшается его выходное сопротивление (R_ВЫХ) в (1+  γ· К_U) раз, поэтому это включение достаточно широко используют в высокочувствительных измерительных усилителях. На основе этого включения можно построить практически идеальный повторитель напряжения, у которого  U_ВЫХ =Ù_ВХ  или K_U →1.

Рис.9. Повторитель напряжения

 

У идеального ОУ R₂ →0,  R₁ →∞

   Замечательной  особенностью ОУ является то, что они позволяют в10000 раз  уменьшить влияние синфазного  сигнала на выходной сигнал.

 

 

1.5 Другие схемы включения ОУ.

Схема инвертера

 

Схема инвертера строится на основе инвертирующего включения ОУ и имеет следующий вид:

 

Рис.10. Инвертер

 

R₁=R₂=R

При одинаковых сопротивлениях в цепях прямой и обратной связи.

                              Рис.11. Сумматор

 

U_ВХ  →0 поэтому

I₁=U_ВХ.1/R₁; I₂=U_ВХ.2/R₂ ; I=I₁+I₂=(U_ВХ.1+U_ВХ.2)/R₁; I=I₁+I₂=( U_ВХ.1+ U_ВХ.2)/R₁ 

U_ВЫХ1=-IR₂=                                                                          (1.4)

Из (1.4)  видно, что отношение - коэффициент усиления схемы, а равен усиленной сумме двух напряжений входных со знаком «-». Чтобы убрать знак «-» добавляем в схеме то, что справа.

         (1.5)

Из (1.5) видно, что выходной сигнал прямопропорционален сумме входных сигналов.

 

Вычитающее устройство

 

           Рис.12. Вычитающее устройство

 

U_ВЫХ= (U₂-U₁) R2/R₁            (1.6)

 

                    

Из (1.6) видно, что выходной сигнал тока в схеме включения пропорционален разности двух входных сигналов, то есть устройство выполняет операцию вычисления выходных сигналов.

 

1.6 Стабилизаторы напряжения на основе ОУ

 

Назначение: получение стабильного выходного напряжения заданного значения и полярности при больших токах нагрузки (I_НГР >20 мА) и нестабильном входном напряжении.

Достоинством этих стабилизаторов является возможность получения  различных по значению и знаку  стабилизированных напряжений при  одном и том же опорном напряжении, которое получается при помощи стабилизатора.

Однополярная схема  стабилизатора на основе неинвентированного включения операционного усилителя имеет следующий вид:

 

D – стабилитрон (все диоды обозначаются буквой D)

 

Рис.13. Стабилизаторы напряжения на основе ОУ

 

U_ДИФ = U_а –U_в →0

U_а =U₀ – опорное напряжение, задаваемое стабилитроном, а вместе стабилитрон Д и R₃  образуют параметрический стабилизатор напряжения.

                   

U_а =U₀

U_ДИФ=U_а –U_в →0

 

                   (1.7)                                                                                                         

Из (1.7) видно, что выходное напряжение определяется опорным напряжением стабилитрона U₀  и отношением сопротивлений . Изменяя  , можно менять выходное стабилизируемое напряжение. Стабильность U_ВЫХ определяется стабильностью опорного напряжения стабилитрона, а оно зависит от входного нестабильного напряжения (выпрямленного), чтобы повысить стабильность выходного напряжения необходимо параметрический стабилизатор подключить не к входному, а к выходному стабилизированному напряжению, тогда:

 

 

Рис.14. Стабилизатор, подключенный к выходному стабилизированному напряжению

 

Такая схема построения стабилизатора позволяет снизить нестабильность входного напряжения (U_ВЫХ) до 0,01% при нестабильности U_ВХ  ±10%. Поэтому такая схема построения стабилизатора положена в основе всех интегральных стабилизаторах напряжения.

, определяется рассеиваемой  мощностью силового транзистора  Т1.

 

1.7 Интегральные стабилизаторы напряжения

 

В настоящее время  выпускается серия микросхем, интегральных микросхем, интегральных стабилизаторов напряжения, которые широко используются в радио и электронной аппаратуре, компьютерах и т.д.

Схема простейшего интегрального  стабилизатора типа К142 ЕН2. Она выглядит следующим образом: 

 

Рис.15. Схема простейшего интегрального стабилизатора типа К142 ЕН2

 Микросхема имеет 16 выводов (в кружках), штрихпунктиром показаны внешние линии соединений, с помощью которых подключаются внешние элементы, то есть R₁- R₄  и С. Роль ОУ играет схема, собранная на транзисторах Т1 –Т4. С 14 выхода этого ОУ сигнал подается на базу силового транзистора Т5. Параметрический стабилизатор собран на основе диодов D1 и D2 и транзисторов Т6 и Т7.

Полевой транзистор Т7 играет роль резистора R₃ в предыдущей схеме, опорное напряжение со стабилизатора D1 поступает на каскад с общим коллектором, собранном на транзисторе Т6 и диоде D6. Напряжение с делителя R₁, R₂ подается на базу  Т2 , база транзистора Т1 играет роль неинвертирующего входа ОУ, а база транзистора Т2 играет роль инвертирующего входа ОУ. Назначение резисторов R₁ и R₂ такую же роль как в предыдущей схеме.

Транзистор Т8 вместе с внешними резисторами R₃ образуют схему стабилизатора от короткого замыкания выходных зажимов. При этом увеличивается падение напряжения на резисторе R₃ , который прикладывается между базой и эмиттером транзистора Т8, который открывает его, тем самым уменьшается потенциал на базе транзистора Т3 и на базе транзистора Т5, который закрывается и предохраняет себя от выхода из строя.

Есть еще цепочка, собранная  на Т9 и диоде D3. Эта цепь под действием положительного напряжения U_ВЫКЛ приводит к открыванию транзистора Т9 и тем самым к уменьшению потенциалов на базе транзисторов Т3 и Т5, то есть приводят к закрытию транзистора Т5. Резисторы R₁ и R₂  имеют тоже назначение, что и в предыдущих схемах, то есть с их помощью устанавливается уровень выходного стабилизированного напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.8 Выбор типа микросхемы ОУ

 

Дано:

Тип ОУ: К 153 УД1…УД6;

R_ист=1800 Ом;

R_н=6 кОм;

К_{u. oc}=700;

U_вых=8 В;

γ_оу=0,6%;

f _max=70 кГц;

Назначение: для тензолитического датчика по мостовой схеме.

Выбор конкретного типа интегрального операционного усилителя  представляет собой итерационную процедуру сравнения параметров операционных усилителей с заданными параметрами ИУ, в результате которой должен остаться лишь один тип ОУ, который удовлетворяет следующим условиям:

а) R _{Н. ОУ} ≤ R _Н., где R _{Н. ОУ} – рекомендуемое значение сопротивления нагрузки для конкретного типа ОУ.

R_н=6 кОм;

Сравнивая со значениями из таблицы, подходят:

К153 УД1   R _{Н. ОУ}=2кОм;

К153 УД2   R _{Н. ОУ}=2кОм;

К153 УД3   R _{Н. ОУ}=2кОм;

К153 УД4   R _{Н. ОУ}=5кОм;

К153 УД5   R _{Н. ОУ}=2кОм;

К153 УД6   R _{Н. ОУ}=2кОм.

б) К_u>> 100 K_каск/δ_оу, где K_u – собственный коэффициент усиления ОУ, К_каск – коэффициент одного каскада ИУ, равный корню n-ой степени из К_{U. oc} (К_каск= К_{U. oc}^1/n), n-количество каскадов ИУ; δ_оу – статическая погрешность ОУ, которая составляет примерно треть от заданной погрешности ИУ [δ_оу= (1/3) γ_оу]; при этом значение n последовательно увеличивается от 1 до значения, при котором выполняется указанное условие, т. е. определяется, сколько каскадов будет иметь ИУ для данного типа ОУ (оптимальным будет такой тип ОУ, который обеспечивает минимальное количество каскадов и наиболее простую схему ИУ).

К_U ≥ (1000^. K_каск)/ δ_оу

n=1:

K_U=(1000*700)/0,2=3500000;

1. K’=15тыс<3500тыс;
2. К’=20тыс<3500тыс;
3. К’=25тыс<3500тыс;
4. K’=5тыс<3500тыс;
5. К’=500тыс<3500тыс;
6. К’=50тыс<3500тыс.

n=2:

K_{U. ос}=√700=26,46;

K_U=(1000*26,46)/0,2=132300;

1) K’=15тыс<132,3тыс;

2) К’=20тыс<132,3тыс;

3) К’=25тыс<132,3тыс;

4) K’=5тыс<132,3тыс;

5) К’=500тыс>132,3тыс;

6) К’=50тыс<132,3тыс.

n=3:

K_{U. oc}=³√700=8,879;

K_U=(1000*8,879)/0,2=44395;

1) K’=15тыс<44395;

 2) К’=20тыс<44395;

 3) К’=25тыс<44395;

 4) K’=5тыс<44395;

 5) К’=500тыс>44395;

6) К’=50тыс>44395.

Подходят два типа микросхем ОУ: К153 УД5 и К153 УД6.

в) U_вых≤0,9(U_п/2), где U_п - максимально допустимое напряжение питания данного ОУ.

УД5:

U_вых=8 В

U_п=16 В

8≥7,2, т. е. условие  не выполняется;

УД6:

U_вых=8 В

U_п=18 В

8≥8,1, т. е. условие  выполняется.

Подходит один тип  микросхемы ОУ К153 УД6.

г) f_max<<f₁(f_max≈0,1f₁), где f₁ – единичная частота усиления напряжения ОУ, при которой K_U=1 и, следовательно, ОУ перестает усиливать напряжение.

f_max=0,1*0,7=0,07<0,7, условие соблюдается.

Выше перечисленным  условиям удовлетворяет К152 УД6 3-каскадный  ОУ.

 

К, тыс.	+Uп, В	Iп, мА	+ eсм, мВ	TK eсм, мкВ/К	iвх, нА	+Uдф, В	+Uсф, В	Мсф, дБ	f1, МГц	V, В/мкс	+ Uвых, В	Rн, кОм	∆ iвх, нА
50	5-18	3	2	15	75	10	30	12	80	0,7	0,5	10	2

 

 

1.9 Составление Функциональной схемы n-каскадного ИУ. Выбор номиналов и типа резисторов.

 

Составление функциональной схемы ИУ на базе выбранного ОУ осуществляется с использованием следующих соображений:

а) В качестве базового каскада ИУ используются инвертирующее включение ОУ (инвертирующий усилитель) с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению; 
б) Схемы всех каскадов должны быть по возможности одинаковыми, т. е. должны иметь одинаковые номинальные значения сопротивлений прямой R₁ и обратной R₂ связей каскадов, определяющих коэффициент усиления отдельного каскада в соответствии с формулой К_каск=-R₁/R_2, при этом номинальное значение сопротивления R₁ выбирается из соотношения:

R₁≥R_{н. оу;}

n=3  K_U.ОС=8,879;    R_{Н ОУ}=6 кОм           

              K_U.ОС= -  R₂ /R₁ 

             |R₂|= R₁· K_U.ОС=6*8,879=53,274≈56 кОм

              R₁=6 кОм=R₃=R₅ ,

               R₂= R₄= 56 кОм;