Проектирование и расчет импульсного усилителя

На основе операционного усилителя с обратной связью

Техническое задание: проектировать и рассчитать импульсный усилитель со следующими данными:

Время нарастания фронта выходного импульса t_Ф= 0,04 мкс,

спад его плоской части =0,02 (2%) при длительности входного сигнала Т₀=5мс,

коэффициент усиления устройства: К_О=250.

Выполнение задания

Импульсный усилитель можно реализовать на основе операционного усилителя с обратной свяью. В [1, ч 2, с.210] в частности показано, что если использовать функциональную схему, приведенную на рис.1

Рис.1

ROC (ZOC)

IOC

U2(oc)

RВХ

RГ

RH

ΔU

EГ

KO

IГ

(ZГ)

Если в качестве сопротивления R_Г использовать последовательное соединение резистора и конденсатора , а вместо R_OC

применить параллельное соединение резистора и конденсатора. то при определенных условиях можно реализовать импульсный усилитель. Обозначим операторный коэффициент сопротивления генератора Z_Г

,

а операторный коэффициент цепи обратной связи

,

то операторный коэффициент передачи устройства изображенного на рис.1 запишется в виде:

. (1)

Далее обозначим отношение R_ОС/R_Г=К_О- коэффициент усиления устройства., ,

постоянные звена генератора и обратной связи.

Обратное преобразование Лапласа выражения(1) множеного на операторный коэффициент единичного скачка 1(t) равное 1/Р позволяет записать переходную функция устройства в виде

(2)

Ес ли выполнить соотношение

, (3)

то переходная функция (2) поделенная на нормирующий множитель К_О будет иметь вид изображенный на рис.2. Эта функция имеет вид характерный для переходной функции выходной цепи резисторного каск5ада, в которой имеется область малых временных интервалов, по которой можно оценить время нарастания входного импульсного сигнала, область средних временных интервалов, которая указывает величину усиления сигнала К_О и ,наконец, область больших времен. Последняя область дает возможность оценить спад плоской части импульса при заданной длительности входного сигнала.

h (t)

0,1

Рис.2

0,9 D

T

t

t₁ t₂ Область средних Область

времен больших

Область времен

малых времен

Известно [1. ч.1 с.103],что время установления фронта импульса связано с постоянной соотношением

(4)

а спад плоской части импульса

(5)

Приведенные соотношения позволяют реализовать импульсный усилитель, удовлетворяющий техническим требованиям на основе функциональной схемы приведенной на рис.1

Проведем расчет внешних(навесных) элементов

Операционного усилителя.

Пусть сопротивление R_Г=1 кОм, тогда при заданном К₀=250 , тогда сопротивление R_ОС =250 кОм. При заданном t_Ф=0,04мкс постоянная .Поскольку , то емкость конденсатора С_ОС будет:

Постоянная

Поскольку , то емкость конденсатора С_Г будет

Схемотехническое моделирование импульсного усилителя с помощью программы МС7[

На рис.3 приведена функциональная схема импульсного усилителя реализованного на операционном усилителе с параллельной ООС по току, в которую включены элементы источника R_Г, С_Г и звена обратной связи R_OC, C_ОС с номиналами резисторов и конденсаторов, вычисленных в предыдущем разделе.

Рис.3

Следует заметить, что рассчитанная емкость конденсатора С_ОС получена весьма малой величины - С_ОС=7,2 10^-14 Ф. практически не реализуемой на практике. Это произошло потому, что в техническом задании коэффициент К₀ равен 250 единицам и сопротивление резистора выбрано равным R_Г=1 кОм. Для получения приемлемых значений емкости конденсатора С_ОС следует уменьшать коэффициент К₀ или величину сопротивления резистора R_Г. Поэтому данный пример носит чисто иллюстративный характер.

На рис.4 приведены эпюры нормированного выходного сигнала синтезированного импульсного усилителя, а также источника входного сигнала V1 с амплитудой 5 мВ. Нормировка выходного сигнала произведена с учетом коэффициента усиления устройства К₀=250 и амплитуды сигнала источника V! равной 5 мВ, кроме того для удобства анализа выходного сигнала произведено его инвертирование, поскольку как видно из рис.3 входной си гнал поступает на инвертирующий вход операционного усилителя.

Рис.4

С помощью навигатора программы МС7 при активировании пиктограммы CURSOR MODE нетрудно убедиться, что время нарастания фронта выходного сигнала устройства составляет заданную величину t_Ф~0,04 мкс.

Для анализа спада плоской части импульса выходного сигнала следует увеличить длину плоской части импульса источникаV1 до величины T₀=5 мс и также время анализа., примерно до 8 мс. После указанной перенастройки проведено исследование переходного процесса выходного в области больших интервалов,. результаты которого приведены на рис.5.

Рис.5.

С помощью навигатора программы МС7- CURSOR MODE получено, что при длительности нормированного выходного сигнала равной T_O=5 мс спад его плоской части составляет около 2%.

Определим частотную характеристику и полосу пропускания синтезированного импульсного усилителя, определив предварительно его нижние и верхние граничные частоты. Соглано известному соотношению

,

получаем f_В(гр)=*,7 МГц.

Из соотношений величина нижней граничной частоты оказывается равной :

Гц

На рис.6 приведены частотная и фазовая характеристики имульсного усилителя, из которых с помощью навигатора программы МС7 CURSOR MODE получено усиление в области средних частот равно К₀=250, а верхняя и нижняя граничные частоты совпадают с вычисленными ранее. Таким образом, синтезированный импульсный усилитель оказался достаточно широкополосным устройством.

Рис.6

Выводы

1.Используя устройство , содержащее операционный усилитель и цепи обратной связи, функциональная схема которого приведена на рис.3, можно реализовать импульсный усилитель с необходимыми техническими показателями.

2. Такое устройство менее восприимчиво к изменениям температуры и напряжения источников питания, поскольку его технические характеристики в первую очередь зависят только от стабильности пассивных элементов цепей обратной связи.

3. Произведен расчет элементов функциональной схемы импульсного усилителя и подтверждено выполнение условий технического задания.

Список литературы

1. Теряев Б.Г. Схемотехника аналоговых электронных устройств ч.1, ч 2. М. МИРЭА 2005.

2. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью

MICRO-CAP 7. М. Горячая Линия-Телеком. 2003.

Пример 6