ЛОГАРИФМАТОР НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ

Белорусский Национальный Технический Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине «Электроника»

СПРОЕКТИРОВАТЬ ЛОГАРИФМАТОР НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ (ДИАПАЗОН ВХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ 0..+1В)

Исполнитель:	студент группы Бибильникова Е.О.
Руководитель:	профессор, д.т.н. Жарин А.Л.

Минск 2016

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка 16 с., 8 рис.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ЛОГАРИФМАТОР НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ

Объектом разработки является логарифматор на операционном усилителе.

В ходе курсового проектирования были выполнены расчеты элементов схемы, произведен выбор элементной базы, симулирована работа электрической схемы посредством программного обеспечения «National Instruments Multisim 13».

Областями возможного практического применения являются системы контроля передаваемой мощности в передатчиках сигнала в системах GSM, CDMA, TDMA, а также индикация принимаемого сигнала.

ВВЕДЕНИЕ

Операционный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

Логарифмический усилитель — вид электронных усилителей, выходное напряжение которого пропорционально логарифму входного напряжения. Логарифмические усилители могут совершать больший комплекс операций по сравнению с классическими линейными усилителями, и их схемы значительно отличаются.

Самый простой логарифмический усилитель — обычный операционный усилитель с диодом (или транзистором), включённым в цепь обратной связи. Однако сейчас существует большое количество логарифмических усилителей, построенных иным образом (например, с помощью ограничительных ячеек). [1]

1     АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗРАБАТЫВАЕМОЙ СХЕМЫ И ОБЗОР УСТРОЙСТВ С ПОДОБНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

1.1      Общие сведения об операционном усилителе

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, дифференциальным входом и малыми значениями напряжения смещения нуля и входного токов. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах, по размерам практически не отличаются от транзистора и имеют как минимум пять выводов.

На рисунке 1 приведено изображение ОУ, принятое в технической литературе.

Рисунок 1 – Обозначение ОУ, принятое в технической литературе

На рисунке 2 приведено условие графическое обозначение ОУ.

Рисунок 2 – Условное графическое обозначение ОУ

Как видно, ОУ имеет два входа и один выход. На схемах инвертирующий вход обозначается «-» или кружком, а неинвертирующий вход обозначается знаком «+».

При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала.

Разность входных напряжения

                                        U_вх=U₊-U_-=U_p-U_n

называется входным напряжением.

Полусумма входных напряжений

называется синфазным входным напряжением.

Выходное напряжение ОУ находится в одной фазе с разностью входных напряжений

где K_u - коэффициент усиления ОУ.

Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и с отрицательными сигналами, используется двухполярное питание.

Операционный усилитель характеризуется теми же параметрами, что и другие усилители. Поведение ОУ в первом приближении можно описать при помощи его идеализированной модели.

Все ОУ имеют либо внутреннюю коррекцию АЧХ, либо внешнюю. В последнем случае к выводам ОУ подключаются внешние пассивные элементы. Некоторые ОУ имеют защиту от короткого замыкания.[2]

1.2      Традиционный логарифмический усилитель

Для получения логарифмической характеристики усилителя необходимо иметь элемент или устройство, которое обладает собственной логарифмической характеристикой, и включить его в цепь отрицательной обратной связи (ООС) ОУ. Такой характеристикой обладает полупроводниковый pn-переход, например, диод.

Из теории полупроводников известно, что при прямом включении ток, протекающий через диод, и падающее на нем напряжение связаны между собой следующим соотношением:

 

где I_D - прямой ток диода;

      U_D  - прямое напряжение на диоде;

          I_O – тепловой ток (обратный ток насыщения).

Этот ток зависит от температуры, и его значение удваивается при увеличении температуры на каждые 10 ^оК. Величина этого тока составляет 10^-12..10^-6 мА для кремниевых и 10^-8..10^-3 мА для германиевых диодов.

Температурный потенциал определяется по формуле:

 

где k=1,38x10^-23 Дж/^оК – постоянная Больцмана;

      T – абсолютная температура

      q=1,6х10^-19 Кл – заряд электрона.

При комнатной температуре (Т^о =300 ^оК) температурный потенциал составляет 25,875 мВ.

Логарифмируя по основанию е, получим:

где m – коэффициент, учитывающий отклонения характеристик диода и зависящий от величины прямого тока. В зависимости от типа диода его величина составляет m=1-2.

Если тепловой то пренебрежимо мал по величине, то выражение (2) упрощается до следующего вида:

 

Переход от натурального логарифма к десятичному осуществляется согласно элементарному соотношению:

 

Это преобразование логарифмов легко реализуется на основе простейшего блока масштабного преобразования.

Схема логарифмического усилителя на основе диода приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Логарифмический усилитель с диодом в цепи ООС.

Для ОУ с бесконечно большим входным сопротивлением его входной ток равен нулю. Поэтому выходное напряжение U₂=U_D и определяется напряжением на диоде (2).

Поскольку при этом

Выражение для выходного напряжения, определяемое (2), преобразуется с учетом (3) к виду:

Логарифм теплового тока представляет собой малую величину, и при постоянной температуре эта ошибка логарифмирования легко учитывается, если она вообще поддается оценке. Поэтому выражение (6) можно  представить в виде:

С учетом (4) данное выражение может быть представлено в следующем виде:

Здесь величина тока I_R может трактоваться как ток источника входного воздействия логарифмического усилителя.

2              СИНТЕЗ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И ОПИСАНИЕ РАБОТЫ

Построение схем с логарифмическими передаточными функциями основано на использовании нелинейности вольт-амперных характеристик, определяемых выражением

где U_g – напряжение на диоде;

       I_g – ток диода;

       I_S – обратный ток утечки;

N = η UT – постоянный множитель (для кремниевых приборов при малых токах η = 2; UT = kT/1000, Т – абсолютная температура).

Если диод включить в цепь ОС операционного усилителя, то выходное напряжение такого усилителя будет связано с входным напряжением логарифмической зависимостью.

На рисунке 4 представлена принципиальная схема логарифмического усилителя.

Рисунок 4 -  Принципиальная схема логарифмического усилителя

Ток диода будет определяться напряжением сигнала и сопротивлением R1

Поэтому выходное напряжение определяется выражением

Напряжение U_ВЫХ с большей точностью соответствует lgU₁, если слагаемым lg(R₁I_S) можно пренебречь. Кроме того, необходимо отметить, что в данном случае имеет место температурная зависимость постоянной составляющей lg(R₁I_S) и масштабного коэффициента N.

Эту постоянную составляющую можно компенсировать, если ввести в схему источник тока и второй диод VD₂, согласованный по температурной характеристике с основным диодом VD₁ (рисунок 5).

Рисунок 5 - Принципиальная схема усовершенствованного логарифмического усилителя

Через диод VD₂ будет течь постоянный по величине ток I_R, вызывающий падение напряжения U΄_g. Если диоды VD₁ и VD₂ идеально согласованы, то напряжение U_T и ток I_S для них одинаковы, и в уравнении для напряжения U₃ член, содержащий выражение l_gI_S, не учитывается

Температурная чувствительность напряжения зависит только от масштабного коэффициента. Ее влияние возможно уменьшить путем введения терморезистора RТ в цепь выходного каскада

U_ВЫХ = k₁ lg (k₂ U₁),

где k₁ - определяется усилителем выходного усилителя,

      k₂ - определяется значениями I_R и R₁.

Однако ток Ig содержит не только ток выходного сигнала I1, но также входной ток смещения, шумовой ток, которые являются причиной появления ошибок. Для уменьшения ошибок необходимо подавать сигнал от источника, обладающего высоким внутренним сопротивлением. Тогда действующее усиление схемы по напряжению мало и влияние напряжения смещения и шумов ОУ, как источников ошибок, будет незначительным.

В рассматриваемых логарифмических усилителях входной сигнал должен быть однополярным, хотя он может быть как отрицательным, так и положительным, в зависимости от того, как включены диоды.[3]

3              ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА, РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ, ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТОВ

3.1      Расчет элементов схемы

Рисунок 6 – Расчетная схема

Ток I=U_вх/R₁ проходящий через R₁ не входит в ОУ, а проходит через VD₄, то есть I=Iд_, следовательно

Соответственно ток на диоде

Применим диод общего применения типа КД521В который имеет параметры:

·        постоянное прямое напряжение Uпр, В - 1,

·        постоянный обратный ток Iдо, мкА - 1.

Сопротивление резистора R₁ определяем из условия

отсюда находим

Максимальное выходное напряжение логарифматора:

 

здесь Uт - температурный потенциал, равный 26 мВ при t =20°C, тогда

Для симметрирования входов ОУ логарифматора сопротивления R₁ и R₂ должны быть одинаковыми, следовательно принимаем R₂ = 2 кОм.

Коэффициент передачи по напряжению

3.2      Выбор элементной базы

В принципиальной схеме устройства в качестве сопротивлений будут использоваться резисторы с металлодиэлектрическим проводящим слоем Р1-4. Данные резисторы предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока. Резисторы неизолированные, для навесного монтажа.

Конструкция резистора Р1-4 приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Резистор Р1-4

       Номинальная рассеиваемая мощность – 0,25 Вт. Температурный коэффициент сопротивления – ±10∙10^-6/^оС.

Промежуточные значения номинальных сопротивлений соответствуют ряду Е24.

В принципиальной схеме устройства в качестве операционных усилителей используются ОУ 154УД2. Схема включения приведена на рисунке 6.

Конструкция диода КД521В приведена на рисунке 8.

Рисунок 8 – Диод КД521В  [4]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Был разработан логарифматор на операционном усилителе с коэффициентом усиления равным 14,2. Спроектирована принципиальная схема устройства, выбрана элементная база, работа схемы проанализирована посредством программного обеспечения «National Instruments Multisim 13». Усилитель состоит из резисторов Р1-4, номинальные значения которых соответствуют ряду сопротивлений Е24 и диода КД521В. В качестве ОУ используются 154УД2.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.                Операционные усилители [Режим доступа: http://zpostbox.ru/operatsionny_usilitel.html, 25.04.2016]

2.                Н.В. Кондратюк, И.Е. Зуйков, А.Л Жарин, И.И. Невдах - Расчет и моделирование электронных схем аналоговых устройств  - Минск: БНТУ, 2014. – 126с.

3.     Компоненты и технологии : Выпуск №87/2008 / П.Михалев [Режим доступа:

 http://cyberleninka.ru/article/n/mikroshemy-sovremennyh-logarifmicheskih-usiliteley-dlya-radiochastotnyh-prilozheniy, 25.04.2016]

4. Описание операционного усилителя 154УД2 [Режим доступа: http://www.qrz.ru/reference/kozak/oa/oa01.shtml, 25.04.2016].