150646 (Проектирование аналоговых электронных устройств), страница 5

Частотно-избирательные (селективные) усилители (ЧИУ) применяют там, где из совокупности принимаемых сигналов необходимо выделить только сигналы, занимающие определенный участок спектра частот. Полосу частот, в которой сигналы усиливаются, называют полосой пропускания (прозрачности). Полосу частот, в которой сигналы подавляются, называют полосой заграждения (задержания). В зависимости от взаимного расположения полос пропускания и заграждения различают следующие виды усилителей: нижних частот, верхних частот, полосовые пропускающие, полосовые заграждающие.

При современном развитии техники и технологии ЧИУ строят без применения индуктивных элементов. Это связано как с использованием инфранизких частот, так и со стремлением к микроминиатюризации и повышению надежности аппаратуры. Поэтому непрерывно развивается область их применения, использующая избирательные активные RС - цепи. В дальнейшем будут рассматриваться ЧИУ на базе активных RС - цепей (фильтров) с сосредоточенными параметрами,

Усилители сигналов большой интенсивности(усилители мощности) предназначены для усиления сигналов, амплитуды которых соизмеримы с раствором вольтамперных характеристик. К таким усилителям можно отнести выходные каскады ШУ и усилители мощности. В последнем случае основное требование, предъявляемое к таким усилителям, - создание больших мощностей при малых нелинейных искажениях. Построение усилителей сигналов большой интенсивности связано с решением противоречивой задачи: наиболее полного использования УП по напряжению, току или мощности и снижения возникающих при этом нелинейных искажений.

Усилители высокой чувствительности усиливают сигналы малой интенсивности (0,01 мкВ - 10 мВ). Основная задача, которую необходимо решать при их проектировании, - обеспечение заданного отношения сигнал/шум, приведенного к определенному участку цепи. Поэтому наряду с обеспечением заданного коэффициента усиления и полосы пропускания, большое внимание уделяется расчету общего уровня шумов на выходе устройства.

Аналоговые устройства на базе операционных усилителей представляют собой обширный класс различных функциональных устройств, построенных, в основном на базе операционных усилителей. При этом те или иные функциональные зависимости между выходными и входными сигналами реализуются цепями обратной связи. К таким устройствам можно отнести масштабные усилители, сумматоры, интеграторы, умножители и др.

Рекомендации по проектированию

При проектировании аналоговых устройств решают ряд задач, связанных с составлением схемы, наилучшим образом удовлетворяющей поставленным требованиям, с расчетом этой схемы на основании выбранных параметров и режимов работы ее элементов. При построении принципиальной схемы УП выбирают, исходя из заданных требований. Одновременно с выбором УП решается задача о способе его включения и типе используемых обратных связей.

После этого следует распределить усиление и допустимые искажения по каскадам, т.е. определить структуру аналогового устройства. Поскольку введение ООС уменьшает уровень искажений, снижая одновременно коэффициент усиления, вопрос о целесообразности ее применения решается в каждом отдельном случае.

После определения структуры АУ производят покаскадный расчет его элементов, обеспечивающих заданные внешние качественные показатели. При этом выбирают режим работы УП и осуществляют его расчет по постоянному току, после чего проводят расчет необходимых внешних характеристик АУ.

Перечисленные этапы присутствуют в том или ином виде при проектировании различных типов аналоговых устройств.

В настоящее время широкое развитие получают методы проектирования АУ с помощью ЭВМ. Это, в первую очередь, относится к проектированию аналоговых устройств в интегральном исполнении.

Однако первый этап машинного проектирования представляет собой ручное проектирование и содержит перечисленные ранее этапы. В результате возникает разработанная структурная схема с рассчитанными на основе приближенных решений отдельными значениями ее элементов. Этот этап является основным творческим этапом в процессе машинного проектирования.

При проектировании различных типов АУ в соответствии с приведенной ранее классификацией ставятся конкретные задачи, и решение их определяется теми основными требованиями, которые должны быть реализованы. По отношению к рассмотренным типам АУ эти требования, в общем, формулируются следующим образом.

Усилители постоянного тока. Несмотря на то, что в настоящее время отечественная промышленность выпускает УПТ в виде ИМС общего применения, определенный интерес представляет проектирование УПТ в дискретном виде. Умение рассчитывать и анализировать работу УПТ позволяет спроектировать усилитель, отвечающий заданным требованиям, которые не всегда могут быть реализованы с помощью промышленных ИМС. Кроме того, знание принципов построения и расчета УПТ дает возможность разобраться в принципах построения ИМС УПТ и является необходимым на этапе ручного проектирования при создании новых ИМС.

Основным недостатком УПТ является дрейф нуля, характеризующийся изменением режима работы отдельных участков схемы по постоянному току из-за влияния дестабилизирующих факторов и воспринимаемый на выходе устройства как ложный сигнал.

Для уменьшения дрейфа нуля первые каскады УПТ строят по симметричной дифференциальной схеме. В качестве УП чаще используют биполярные транзисторы, включенные по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Если необходимо получить высокое входное сопротивление в первом каскаде УПТ, применяют полевые транзисторы.

В общем случае УПТ может содержать n каскадов, но наибольшее распространение получили трехкаскадные схемы. Структурная схема УПТ, типичная при реализации его в интегральном исполнении, представлена на рисунке.

Структурная схема УПТ

Первым каскадом является дифференциальный усилитель (ДУ), который для минимизации ошибок, связанных с дрейфом нуля, работает в режиме малых токов и имеет, поэтому малый коэффициент усиления по напряжению. Следующий каскад - усилитель напряжения (УН), который имеет высокий коэффициент усиления и осуществляет сдвиг уровня постоянного напряжения на некоторую величину, обеспечивая тем самым нулевое напряжение на выходе при отсутствии сигнала на входе УПТ. Оконечный каскад (ОК) формирует необходимую величину выходного сигнала и обеспечивает малое выходное сопротивление усилителя.

В данном курсовом проекте необходимость применения УПТ может понадобиться при проектировании усилителей для некоторых вариантов измерительных устройств (табл. 2.1).

При проектировании УПТ на ИМС общего применения необходимо осуществить выбор ИЛ1С, произвести расчет или подбор цепей, корректирующих АЧХ с целью получения устойчивого коэффициента усиления при заданной верхней граничной частоте.

Усилители низкой частоты. Первые каскады УНЧ работают при сравнительно слабых сигналах и называются каскадами предварительного усиления. Их основное назначение - повышение уровня сигнала для обеспечения работы выходного каскада. Выходные каскады работают при высоком уровне сигнала и являются, как правило, усилителями мощности. Усилители мощности относятся к усилителям сигналов большой интенсивности, и их проектирование имеет свои особенности.

Проектирование предварительных каскадов УНЧ осуществляют аналогично проектированию ШУ. При этом расчеты упрощаются, так как на низких частотах параметры используемых УП характеризуются не комплексными, а действительными величинами.

Широкополосные усилители. При расчете ШУ обычно задают номинальный коэффициент усиления К₀ , верхнюю и нижнюю граничные частоты f_в и f_в при заданных коэффициентах частотных искажений M_н и M_в, стабильность коэффициента усиления в диапазоне изменения температур окружающей среды.

Предварительный расчет ШУ состоит в выборе типа УП, ориентировочном определении числа каскадов и приближенном распределении по каскадам частотных искажений так, чтобы суммарная их величина не превосходила заданную. Как правило, каскады предварительного усиления выполняют идентичными.

Обычно частотные искажения по каскадам распределяют равномерно. Иногда целесообразно распределить искажения неравномерно по каскадам, что позволяет ослабить требования к одному из них, чаще всего к оконечному.

Схему питания каскадов выбирают исходя из заданной стабильности и диапазона изменения температур. При ориентировании на интегральное исполнение ШУ стремятся исключить из схемы индуктивные элементы, конденсаторы и резисторы с большими номиналами.

Импульсные усилители. Основное внимание при проектировании ИУ обращается на сохранение формы усиливаемого сигнала. Специфическими искажениями являются искажения формы импульса, характеризующиеся временем нарастания фронта t_ф, выбросом и спадом вершины а. Расчет ИУ проводят, как правило, во временной области методом переходных характеристик, но может быть использован и частотный метод.

При проектировании ИУ частотным методом используют известные соотношения, связывающие t_ф и а с граничными частотами f_в и f_н. Практически указанные соотношения справедливы как для некорректированных, так и для корректированных каскадов. Это позволяет проектировать. ИУ как ШУ с заданными граничными частотами.

Частотно-избирательные (селективные) усилители. Отличительной особенностью проектирования этого класса устройств является то, что технические требования задают не только на параметры в полосе пропускания (f_н, f_в, M_н и M_в), но и на параметры в полосе заграждения (f_з и М_з).

Проектирование таких усилителей связано с отысканием аппроксимирующей функции, которая с необходимой точностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к частотной характеристике ЧИУ. На основе выбранной аппроксимирующей функции производят схемотехнический синтез ЧИУ путем использования усилителей с обратными связями различного типа, а также методов аналоговой вычислительной техники.

Усилители сигналов большой интенсивности (усилители мощности). В рассматриваемых усилителях вследствие высокого уровня сигналов используют транзисторы повышенной мощности, потребляющие от источника питания большую энергию. Поэтому большое значение приобретает высокая экономичность, т. е. лучшее использование транзистора по напряжению и току, что связано с возрастанием нелинейных искажений. В частности, отмеченные противоречивые требования удается удовлетворить при построении усилителя по двухтактной схеме с использованием транзисторов в режиме класса В или АВ.

К особенностям расчета данных усилителей следует отнести: выбор схем, необходимость использования графических методов определения режима работы транзисторов, введение усредненных параметров, расчет нелинейных искажений и др.

Усилители высокой чувствительности. При проектировании усилителей высокой чувствительности с малым уровнем входного сигнала производят выбор усилительного прибора и схемы, расчет элементов схемы, обеспечивающих необходимые передаточные характеристики и стабильность работы. Однако на каждом из этих этапов необходимо учитывать такое специфическое требование, как обеспечение малого уровня внутренних шумов.

Аналоговые устройства на базе усилителей. Проектирование устройств аналоговой обработки сигнала базе усилителей предполагает использование ИМС операционных усилителей (ОУ) с внешними обратными связями. Поэтому одна из важнейших задач, которую решают при проектировании наряду с выбором ИМС, — это обеспечение точности воспроизведения заданной функции и устойчивости работы устройства. Основные погрешности, возникающие при моделировании функциональных зависимостей, связаны с неидеальностью ОУ. Поэтому при выборе типа ОУ необходимо исходить из заданных требований, согласовывая их с характеристиками ОУ. Более подробно это рассмотрено в следующем подразделе.

1.5 Особенности проектирования аналоговых устройств на интегральных схемах

Проектирование аналоговых устройств на интегральных схемах с точки зрения последовательности и содержания этапов проектирования не отличается от проектирования аналоговых устройств на дискретных элементах, однако, имеет ряд особенностей.

1. Отсутствие у разработчика сведений о структуре, параметрах и режимах работы интегральных усилителей.

Сведения, приводимые в паспорте на микросхему, как правило, не отражают особенности ее работы в различных режимах. Поэтому разработчику радиотехнических устройств на интегральных схемах необходимо обязательно изучать ГОСТы, ТУ, РТМ и другую техническую документацию, выпускаемую на микросхемы.

1. Широкое использование обратных связей в аналоговых устройствах на интегральных схемах.

Обратная связь играет особую роль в реализации аналоговых устройств. Основу интегральных схем составляют операционные усилители, имеющие большую избыточность по основному параметру - коэффициенту усиления. Применение обратной связи позволяет за счет уменьшения коэффициента усиления увеличивает полосу пропускания, входное и выходное сопротивления, стабильность характеристик, а также улучшать другие параметры усиления. Применение нелинейных обратных связей дает возможность разработать устройства с требуемым видом амплитудной характеристики.

1. Другие критерии сопоставления проектных решений на этапе эскизного проектирования. Все варианты, выработанные на этапе эскизного проектирования, удовлетворяют любым электрическим параметрам, требуемым техническим заданием на АУ. Критерий их сравнения включает в себя дополнительно эксплуатационные и технические параметры. При проектировании транзисторных усилителей в качестве критерия обычно выступает требование минимизации количества транзисторов в схеме. При использовании интегральных микросхем - минимум операций настройки АУ. Это смещение критерия происходит потому, что при применении дешевых, надежных высококачественных интегральных АУ именно этими параметрами определяются общая стоимость, надежность, технологичность аналогового устройства.

1. 1.6 Использование машинных методов проектирования

Автоматизированное проектирование является неотъемлемым этапом разработки современных радиоэлектронных устройств (РЭУ).

В настоящее время существует достаточно много пакетов прикладных программ, позволяющих осуществить, как полный цикл автоматизированного проектирования РЭУ, так и различные его этапы в раздельности.

Например, такие пакеты как PSpice, Micro-CAP, Electronics Workbench предназначены только для моделирования принципиальных схем. Системы типа PCAD, ACCEL EDA (PCAD для Windows) предназначены только для проектирования печатных плат.

За последнее время появились интегрированные САПР, позволяющие реализовать, так называемую сквозную систему проектирования электронных устройств, включающую в себя графический ввод схем, их моделирование, разработку печатных плат и выпуск технической документации для их изготовления. К ним относятся системы типа OrCAD, DesignLab, Dr. Spice 2000 A/D 8.2 (совместно с системой ACCEL EDA 13.0) и др.