Прецизионный усилитель.

1. 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.

2. 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

3. 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.

4. Расчёт и выбор операционного усилителя.

5. максимальное выходное напряжение ОУ U_{вых :}

U_вых 1.2U_{m вых. max} = 1.2К₀U_{m вх,max}= 1.2*10000*0.5*10^-3= 6 В;

6. Cкорость нарастания выходного напряжения ОУ:

V_{u вых} 2f_вU_{m вых. max}= 2*3.14*50000*5= 1.6 В/мкс;

7. Допустимое сопротивление нагрузки ОУ(приводится в паспорте на микросхему)

R_{н max} R_н=2кОм;

8. Величина напряжения источника питания U_п  U_вых +2В = 8 В.

Выберем типовое значение источника питания в 9 В.

U_п=9В;

9. Нестабильность коэффициента усиления ОУ К можно определить из следующей формулы

_max, где - температурный дрейф коэффициента усиления равный 1.5 %/С,Т_{мах -} максимальный интервал температур

Т_маx=60^оС

К = 0.5*1.5%/С*60С =45%;

Теперь пользуясь полученными данными, рассчитаем для различных n' (число каскадов в ПУ), начиная с единицы, величинуК_R– 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 I_пот (величина I_пот приводится в паспорте на микросхему) определяется как:

Итак, получены следующие параметры необходимые для выбора подходящего ОУ:

U_вых 6 В; V_{u вых} 1.6 В/мкс; R_{н max} 5кОм; f₁8.7 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 U_см = 50 мВ;

Входные токи I_вх= 0,5нА;

Частота единичного усиления f₁ = 10 МГц;

Скорость нарастания выходного напряжения V_{u вых} = 50 В/мкс;

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_оссф = 60дБ;

Максимальное выходное напряжение U_{вых.мах} = 10 В;

Входное сопротивление R_вх = 10000 МОм.

Напряжение питания Uп=8-17В