Проектирование малошумящего усилителя, способного выдавать усиленный входной сигнал без искажений и минимальной шумовой составляющей

Содержание

1. Постановка задачи                                                                       2

2. Введение                                                                                       3

3. Проектирование и расчет ФНЧ                                                  5

4. Проектирование и расчет ФВЧ                                                  8

5. Проектирование и расчет выходного каскада                          10

6. Проектирование и расчет источника питания                          11

7. Проектирование печатной платы                                               13

8. Вывод                                                                                            14

9. Список литературы                                                                      15

Постановка задачи.

Целью данного курсового проекта является проектирование малошумящего усилителя, способного выдавать усиленный входной сигнал без искажений и минимальной шумовой составляющей в заданной полосе частот.

Параметры усилителя:

·  K_u = 750

·  U_вых = 1 В

·  R_н = 50 Ом

·  f_н = 50 Гц

·  f_в = 1 МГц

·  U_вх = 1,33 мВ

·  R_ист = 75 Ом

• Нестабильность коэффициента усиления ∆k_ос/к_ос=0.01

Введение.

Усилительным устройством (усилителем) называется устройство в нагрузку которого поступает усиленный по мощности малый входной сигнал, чтобы далее его можно было использовать для выполнения заданных функций. Эффект усиления сигнала по мощности наблюдается только в том случае, когда имеется источник энергии, за счет которого и происходит усиление сигнала на выходе.

В высокоточной  измерительной аппаратуре слабые электрические сигналы датчиков, сопровождаемые значительным уровнем синфазных, температурных и других помех необходимо усиливать без искажений и внесения собственных шумов усилителя. В случае использования обычных схем и элементов для усиления данных сигналов при большом коэффициенте усиления и малой амплитуде входного сигнала, сигнал на выходе обладает малым отношением сигал/шум. Источниками внутренних шумов могут являться резисторы, транзисторы, электронные лампы и многие другие элементы схем.

При проектировании малошумящего усилителя основной целью является получение на выходе усиленного входного сигнала с минимальной шумовой составляющей без искажений в требуемой полосе частот. Таким образом малошумящий усилитель является полосовым усилителем, построенным на основе малошумящих, прецизионных активных элементах. Для усиления сигнала от низкоомного источника целесообразно использовать малошумящие прецизионные операционные усилители, имеющие высокие точностные характеристики, большое входное сопротивление, высокий коэффициент усиления и низкий уровень собственных шумов.

В данном курсовом проекте используется 4 прецизионных малошумящих операционных усилителя OP-27EJ фирмы  Analog Devices, на основе которых построены выходной усилительный каскад, фильтры нижних и верхних частот.

Структурная схема малошумящего усилителя:

Для построения малошумящего усилителя включим последовательно активный фильтр нижних частот, активный фильтр верхних частот и выходной усилительный каскад. Фильтры обеспечивают необходимую полосу пропускания, а третье звено служит для усиления сигнала до необходимой амплитуды. Коэффициент усиления между звеньями распределим следующим образом: К_ФНЧ=5, К_ФВЧ=5, К_ус=30.

Характеристики ОУ OP-72EJ:

1.  Функциональные особенности: ОУ прецизионный, малошумящий

2.  U_СМ, мВ: 0.025

3.  К_У, дБ: 92

4.  К_ОС.СФ, дБ: 114

5.   P_ПОТ, мВт(I_ПОТ, мА): 2.2  при U_ИП=15В

6.  U_ИП (+-U_ИП), В: ±3.5…±22

7.  R_ВХ, Мом: 6

8.  dI_ВХ, нА: 80

9.  V_UВЫХ, В/мкс: 1.7

10. f_ПР(f1), MГц: 5

11. Корпус: ТО99(8pin)   

Проектирование и расчёт фильтра нижних частот первого порядка.

Электрические фильтры представляют собой частотно-избирательные устройства, которые пропускают сигналы, лежащие в определенных полосах частот. Граничная частота называется частотой среза. В усилителях фильтры применяются для обеспечения необходимой полосы пропускания.

Фильтр нижних частот – устройство, которое пропускает сигналы нижних частот и задерживает высокочастотные сигналы.

Для фильтра низких частот коэффициент передачи выражается по формуле:

. В операторном виде:

. Частота среза находится по формуле:  и будет равна:  Делая 10%-ый запас частоты среза, получим:      

Значение емкости С₁ выберем близкое к , тогда С₁=9,1 пФ. Так как , то Ом. Из ряда Е24 выберем R₂ = 15КОм.

Так как коэффициент усиления каскада равен  найдем сопротивление резистора R₁: . Сопротивление R₃ найдём из следующей формулы:  и оно будет равно . Из ряда Е24 выберем R₃ = 2,4КОм.

С помощью формулы коэффициента передачи фильтра низких частот, а также найденных номинальных значений элементов построим АЧХ фильтра низких частот:

ФЧХ определяется как зависимость аргумента передаточной функции от частоты:

Проектирование и расчёт фильтра верхних частот первого порядка.

Фильтр верхних частот представляет собой устройство, которое пропускает сигналы верхних частот, но задерживает сигналы нижних.

Для фильтра верхних частот коэффициент передачи выражается по формуле:

. В операторном виде:

. Частота среза находится по формуле:  и будет равна:  Делая 10%-ый запас частоты среза, получим:      

С помощью формулы  определим значения элементов С₂ и R₄: R₄ = 8 КОм, C₂ = 470 нФ.

Так как коэффициент усиления каскада равен  найдем сопротивление резистора R₅: R₅ = 24 КОм. Сопротивление R₆ найдём из следующей формулы:  и оно будет равно КОм.

С помощью формулы коэффициента передачи фильтра верхних частот, а также найденных номинальных значений элементов построим АЧХ фильтра верхних частот:

ФЧХ определяется как зависимость аргумента передаточной функции от частоты:

Проектирование и расчет выходного каскада.