Проектування, моделювання та налагодження пристрою обробки інформації в середовищі “ELECTRONICS WORCBENCH “

2. Схемотехнічне проектування

      2.1. Операційний підсилювач

      На  даний момент операційні підсилювачі (ОП) одержали широке застосування серед  аналогових інтегральних схем. Це зумовлено можливістю реалізації на їхній основі всіляких лінійних і нелінійних аналогових й аналого-цифрових пристроїв. Різні способи перетворення аналогових сигналів висувають найрізноманітніші вимоги до ОП. Задовольнити всі ці вимоги в ОП одного типу практично неможливо. Тому промисловістю випускаються ОП декількох типів, кожний з яких задовольняє певне число вимог. Всі разом вони перекривають широкий діапазон вимог. ОП, які випускаються промисловістю, характеризуються великим вхідним, низьким вихідним опорами й дуже високим коефіцієнтом підсилення за напругою.

      Описаний  в цій курсовій роботі операційний  підсилювач построєний по трьох каскадній  схемі (2 диференціальних каскада + вихідний каскад) на транзисторах однієї провідності. Перші два вхідних каскада  операційного підсилювача 140УД2 повністю повторюють каскади підсилювача СА3033/47. принципова різниця заключається в каскаді зсуву рівня і вихідному каскаді. Вони побудовані з використанням струмових дзеркал. В каскаді зсуву рівня на струмовому дзеркалі (транзистори Q₁ і Q₂) виконується віднімання плечей струмів диференціальних каскадів; різниця струмів поступає в базу транзистора Q₃ вихідного каскаду. В вихідному каскаді на струмовому дзеркалі (транзистори Q₄  i Q₅) побудований фазоінвертор. Інтегральна схема 140УД2 випускалась с початку 70-х років і потребувала громіздкої схеми корекції. На відміну від більш пізніх підсилювачів 140УД2 мав ряд недоліків, зокрема він не мав захисту вхідних та вихідних кіл від перевантажень і мав велику схему корекції.

      Умовне  позначення ОП 140УД2 –інтегральний напівпровідниковий операційний підсилювач (УД) з порядковим номером розробки 40 серії 140 з порядковим номером розробки даної схеми в серії за функціональною ознакою 2.

      Іноземний аналог ОП 140УД2 – СА3033/47.

      

      Операційні  підсилювачі будуються на основі трьох- або двокаскадних структурних схем. ОП типу 140УД2 виконано на основі трикаскадної структурної схеми.

      

Рис. 2.1.1. Принципова схема ОП 140УД2

Рис 2.1.2. Схема включення ОП 140УД2 

      

      

                                              a) АЧХ при різних значеннях                           б) АЧХ при різних значеннях

ємності коригуючого  конденсатора                ємності коригуючого конденсато-

і струмі використання 100 мкА                      ра і струмі використання 20 мкА

                      

                                           

в)залежність швидкості  наростання                  г)залежність швидкості нарост-

від коефіцієнта  підсилення при струмі          ання від коефіцієнта підсилення

100 мкА                                                              при струмі 20 мкА

                                                

д)залежність ємності  коригуючого               е)залежність ємності коригуючого

конденсатора  від коефіцієнта                         конденсатора від коефіцієнта

підсилення при  струмі 100 мкА                     підсилення при струмі 20 мкА 
 
 
 
 
 
 
 

      Параметри ОП К140Д2:

      Напруга джерела живлення (±U_д.ж. ): ±12.6В

      Вхідній опір(R _вх): 0.3 МОм     

      Струм споживання (I_спож): 8mA

      Вихідний струм:   10 мА.

      Вхідний струм (I_вх): 0.7мкА.

      Різниця вхідних струмів (Д_Iвх):0.2 мкА.

      Напруга зміщення (U_зм):5 мВ.

      Вплив напруги живлення: 300 мкВ/В

      Коефіцієнт  підсилення напруги (К_U): 35 В/мВ  

      Коефіцієнт  послаблення вхідної  синфазної напруги (К_пос.сф.): 80 дБ

      Швидкість наростання вихідної напруги (νU_вих): 0.12 В/мкс.

      Вихідна напруга:   ±10 В. 

      

      Рис. 2.1.5. Передавальні характеристики ОП

      Передавальні  характеристики ОП U_вих=φ(U_вх) (Рис. 2.1.5.), при подачі вхідних сигналів на інвертуючий та неінвертуючий входи зображаються у вигляді двох кривих. Вхідні і вихідні напруги можуть симетрично змінюватись відносно нуля. У разі заземлення неінвертувального входу сигнал передається на вихід підсилювача з інвертуванням фази вхідного сигналу (крива 1). При заземленні інвертувального входу фаза сигналу в процесі підсилення не змінюється (крива 2). Якщо U_вх=0, то й U_вих=0, у чому й полягає умова балансу ОП. Максимальна напруга на виході обмежується напругою джерела живлення ±Ec.

     У реальному ОП спостерігається розбалансування. У такому разі на виході підсилювача існує деяка напруга +ΔU_вих або -ΔU_вих при U_вх = 0. Для усунення розбалансування на вхід підсилювача необхідно подати напругу зміщення U_зм у К_U разів меншу за відхилення вихідної напруги. Якщо на вході ОП існує деяка синфазна електрорушійна сила E_сф, то напруга на виході підсилювача матиме деяке зміщення ΔU_вих.сф при U_вх = 0. Для компенсації цього зміщення між входами ОП необхідно прикласти напругу компенсації помилок ΔU_сф.

     

      2.2. Компаратор

      Компаратор  – пристрій, який порівнює напругу на інвертуючому та неінвертуючому входах. Його часто використовують для перетворення аналогової інформації в цифрову форму. Промисловістю для цього випускаються спеціалізовані підсилювачі, однак аналогічних результатів можна добитись на базі класичного операційного підсилювача, якщо ОП має наступні властивості: великий коефіцієнт підсилення; малий зсув нульового рівня; малий час відновлення після перевантажень; висока швидкість наростання вихідної напруги. Для компаратора можна використовувати ОП 140УД2, тому що він має перераховані властивості.

          Основним показником ОП, що працюють в імпульсному режимі, є їх швидкодія, яка оцінюється затримкою спрацьовування та часом зростання вихідної напруги. Найбільшу швидкість мають спеціалізовані ОП, що отримали загальну назву “компаратори”, які призначені для імпульсного режиму роботи. Затримка спрацьовування таких мікросхем менше 1 мкс, а час зростання вихідної напруги становить соті частки мікросекунди. Компараторне ввімкнення ОП використовують для порівняння напруги джерела сигналів Uд з опорним сигналом U0.

      Компараторний режим ОП частіше застосовують без  зовнішніх кіл негативного зворотного зв’язку, подаючи порівнювані сигнали  на один або обидва входи підсилювача.Для  порівняння різнополярних напруг на вході використовують одновходовий компаратор , в якому опорний сигнал і досліджуваний надходять до інвертувального входу ОП. В інтервалі часу

 0 ... t1  виконується нерівність | Uд |<| U0 |, тому Uвх > 0 і напруга на виході компаратора Uвих = U – вих.mах E –С (напруга на інвертувальному вході і на виході різнополярні). У момент часу t1 вхідний сигнал досягає порогового значення

Ul = Uвх.пор  = U0 R1| R2

після цього перевищує його за абсолютним значенням, яке  відповідає  негативному  потенціалу на інвертувальному  вході  ОП (Uвх < 0), що супроводжується перемиканням компаратора в інший стан, в  якому  U – вих.mах E+С. Моменту часу, якщо виконується рівність Uд = Uвх.пор, відповідає нестійкий режим підсилювача компаратора. При цьому нахил передавальної характеристики визначається власним коефіцієнтом підсилення KU. Тому відсутність в ОП негативного зворотного зв’язку сприяє підвищенню швидкості перемикання компаратора.

      Зобразимо схему вмикання компаратора на ОП.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис. 2.2.1. Компаратор на ОП 140УД2

     На  вхід компаратора 1 поступає гармонічний  електричний інформаційний сигнал заданої частоти  f 1 частотою 1 кГц.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис2.2.2.Схема включення компаратора в середовищі “Multisim 10” 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис.2.2.3. Осцилограми сигналів на вході  та виході  компаратора 

     Перевіримо  правильність нашої схеми. T=1,008 мc, то f=1/T

f=1/1,008 мc =0,992 кГц. Що майже дорівнює розрахованій частоті 1 кГц. 
 

 

2.3. Вибірковий підсилювач

      Вибіркові підсилювачі призначені для підсилення електричних сигналів у вузькій смузі частот, за межами якої підсилення набагато слабкіше або взагалі відсутнє. Є дві різновидності вибіркових підсилювачів. У перших вузька смуга пропускання забезпечується використанням паралельного LC -контуру, що має частотно-вибіркові властивості, як навантаження вихідного кола підсилювача. Оскільки контур має резонансні властивості, такі підсилювачі називають резонансними. Вибіркові підсилювачі другої різновидності використовують кола частотно-залежного зворотного зв`язку, що підкреслюють або заглушають сигнали у вузькому діапазоні частот. Це, власне, зумовлює квазірезонансний характер частотної характеристики підсилювача. Такі підсилювачі називають підсилювачами із частотно-залежним зворотним зв`язком.

        

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис. 2.3.1. Вибірковий підсилювач на ОП 140УД2

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис. 2.3.2.Частотна характеристика вибіркового  підсилювача

      Для побудови вибіркових підсилювачів на базі ОП (рис.2.3.1.)  використовують подвійний Т-подібний міст (R₁, R₂, R₃, C₁, C₂, C₃) в якості негативного зворотного зв’язку. Подвійний Т-подібний міст будується з наступними умовами : R₁ = R₂ = 2R₃ = R, C₁ = C₂ = C₃ = C. Квазірезонансна частота такого моста:

      

      Коефіцієнт  підсилення ОП при введені негативного  зворотного зв’язку (НЗЗ) має наступний  вигляд:

       , де: - коефіцієнт підсилення без НЗЗ на частоті ω; - коефіцієнт підсилення ланки НЗЗ на частоті ω.  На частоті коефіцієнт підсилення = 0. Тому на такій частоті коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача максимальний. На інших частотах він дуже малий. Тому на виході такого підсилювача матимемо сигнал із частотою яка дорівнює .

          Нам потрібно на виході отримати частоту f_{кв.рез.=}3f₁₌3 кГц. Вибираємо значення R = 10 KОм (R₁ = 10 KОм, R₂ = 10 KОм, R₃ = 5 KОм), тоді:

 
 
 
 

 

 
 

      За допомогою вибіркового підсилювача ми виділяємо третю гармонічну складову і таким чином виконуємо операцію: «помноження частоти». На виході компаратора формуються прямокутні імпульси, але за допомогою вибіркового підсилювача маємо значно більший спектр частот ( тобто одержуєм гармонічні складові  f 1, 2f 1, 3f 1, 4f 1  та ін ).

     Зобразимо схему вибіркового підсилювача, яку отримали у середовищі “Multisim 10”.

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.2.3.3.Схема включення вибіркового підсилювача в середовищі «Multisim 10» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.2.3.4. Осцилограми сигналів на вході та виході вибіркового підсилювача

 

      За  допомогою Bode Plotter ми визначає квазірезонансну частоту і перевіряємо себе чи правильно розрахували елементи схеми.