2. 1 Расчет магнитной цепи при холостом ходе (стр. 5 из 11)
2. Структурная схема устройства
Проектируемый прибор состоит из двух основных частей:
- усилитель;
- блок питания.
Структурная схема проектируемого устройства изображена на рисунке 1.
Вход Усилитель Выход 
напряжения 
~220 В Блок50 Гц питания
Рис. 1
3.
Проектирование входной частиПри проектировании входной части необходимо учесть, что разрабатываемое устройство должно иметь большое входное сопротивление имеющее конкретное значение RВХ=25 кОм и погрешность изменения входного сопротивления не более ∆RВХ=4%. Возьмем коэффициент усиления равный 2.
Входной каскад выполняем на основе операционного усилителя, включенного по не инвертирующей схеме.
Рис. 2
В данном случае используется обратная связь (ОС) по напряжению, сигнал которой вводится последовательно с входным сигналом, т. к. при этом можно получить большое входное сопротивление. В качестве микросхемы DA1 выбираем микросхему усилителя К140УД26А, исходя из следующих характеристик: рабочий диапазон температур, входного тока, напряжения смещения, температурного дрейфа нуля.
Необходимо, чтобы входное напряжение было больше напряжения смещения.
UВХ MIN=15 мкВ; UВХ MAX=200 мВ;
IВХ=UВХ/RВХ; IВХ=500·10-6В/25·103Ом=20·10-9А=20 нА.
Параметры К140УД26А: IВХ=40 нА; ∆IВХ=40 нА; КУ.И.=106; ∆UСМ=±30 мкВ; RВХ.ДИФ.=1,4·108 Ом; ∆UСМ=0,6 мкВ/град; IПОТ=4,7 мА; RН=2 кОм; UВЫХ MAX=12 В; температура окружающей среды (-10…+70)0С.
Для нахождения значения коэффициентов усиления на граничных частотах постоим идеализированную ЛАЧХ для выбранной микросхемы, исходя из следующих условий: КУ.И.=106; частота единичного усиления не менее 20 МГц; наклон 20 дБ/дек. Полученная ЛАЧХ приведена в
приложении 1.
Используя ЛАЧХ для выбранной микросхемы определим значения коэффициентов усиления на граничных частотах заданного рабочего диапазона:
Кu(fн)=1·104;
Кu(fв)=6·103.
Входное сопротивление данной схемы определяется в основном значением резистора R3
, а для того, чтобы уменьшить дифференциальный сигнал, появляющийся на входе микросхемы при температурных изменениях входных токов, необходимо выполнить условие:R1=R2IIR3;
R1=25 кОм;
∆R1=1 кОм.
Приняли, что Кu=2, Кu=(1+R3)/R2, отсюда R2=R3=2 R1, R2=50 кОм.
Теперь рассчитаем глубину ОС:
γ=R2/(R2+R3)=0,5
Коэффициент усиления на граничных частотах определяется выражениями:
Кн=Кu(fн)/(1+Кu(fн)·γ)=1,9996,
Кв=Кu(fв)/(1+Кu(fв)·γ)=1,9993.
Вычислим коэффициент частотных искажений для входного каскада:
Мвх=|Kн|/|Kв|=1,00015.
Номиналы резисторов выбираем из ряда Е192:
R1=24,9 кОм; R2=49,9 кОм; R3=49,9 кОм.
Фазовый сдвиг вносимый усилителем К140УД26А находим по ФЧХ (Приложение 1). В рабочем диапазоне частот он равен 900.
4. Проектирование промежуточной части
Промежуточная часть проектируемого устройства состоит из усилительного каскада, выполненного на операционных усилителях, и полосового пассивного фильтра, который состоит из ФВЧ и ФНЧ.
4.1Расчет ФВЧ
В качестве фильтра высоких частот используем пассивный RC-фильтр первого порядка, изображенный на рисунке 3.
Рис. 3
Рабочая зона фильтра ВЧ находится в диапазоне от fн=1500 Гц до fн=∞ кГц. Рассчитаем значения параметров данного фильтра, при этом произвольно выбираем значение номинала резистора:
R5=250 Ом;
С1=1/(2·π·fн·R5)=0,42 мкФ.Из номинального ряда Е192 выбираем С1=0,422 мкФ, получаем нижнюю граничную частоту:
fн=1/(2·π·R5·С1)=1509,34 Гц.
4.2Расчет ФНЧ
В качестве фильтра низких частот используем пассивный RС-фильтр первого порядка, изображенный на рисунке 4.
Рис. 4
Рабочая зона фильтра НЧ простирается от fн=0 Гц до fн=8 кГц. Рассчитаем значения параметров данного фильтра, при этом произвольно выбираем значение номинала резистора:
R6=250 Ом;
С2=1/(2·π·fв·R6)=79,62 нФ.
Из номинального ряда Е192 выбираем С2=79,6 нФ, получаем верхнюю граничную частоту:
fв=1/(2·π·R6·С2)=8002 Гц.
Таким образом, получили более широкий диапазон частот, чем задано в техническом задании.
Фазовый сдвиг, вносимый данным фильтром, можно найти как аргумент комплексного сопротивления фильтра:
φ(f)=аrctg
При частоте fн=1500 Гц фазовый сдвиг равен φ=300,
при частоте fв=8000 Гц фазовый сдвиг равен φ=13,10.
4.3Расчет усилительного каскада
Расчет усилительного каскада будем проводить, исходя из коэффициента усиления по напряжению, который определим по формуле:
Кu=UВЫХ. МАХ/ UВХ. МАХ=500,
где UВЫХ. МАХ=100 В - максимальное выходное напряжение,
UВХ. МАХ=200 мВ - максимальное входное напряжение.
К=КВХ·КПР·КВЫХ,
где КВХ - коэффициент усиления по напряжению входной части;
КПР - коэффициент усиления по напряжению промежуточной части;
КВЫХ - коэффициент усиления по напряжению выходной части;
К - коэффициент усиления по напряжению всего устройства.
Исходя из рассчитанного коэффициента усиления по напряжению для промежуточной части КПР=250, усилительный каскад представляет из себя последовательное соединение трех не инвертирующих усилителей, один из которых изображен на рисунке 5.
Рис. 5
Коэффициент усиления по напряжению усилительных каскадов равны К1=К2=2, К3=К4=К5=5. Разбиение коэффициента усиления на три части производится для уменьшения погрешности коэффициента усиления, т. к. погрешность тем меньше, чем глубже ОС.
Произведем расчет усилительных касадов.
Принимаем, что К1=2, К=1+R9/R8, отсюда R8=R9.
Теперь рассчитаем глубину ОС:
γ=R8/(R8+R9)=0,5.
Коэффициент усиления на граничных частотах определяется выражениями:
Кн=Кu(fн)/(1+Кu(fн)·γ)=1,9996,
Кв=Кu(fв)/(1+Кu(fв)·γ)=1,9993.
Вычислим коэффициент частотных искажений для двух каскадов промежуточной части с К=2:
М2=|Кн/Кв|2=1,0003.
Номиналы резисторов выбираем из ряда Е192:
R7=R11=1240 кОм,
R8=R9=R12=R13=2490 кОм.
Принимаем, что К2=К3=5, К=1+R17/R16, отсюда R17=4R16.
Из номинального ряда резисторов Е192 выбираем:
R17=R21=R25=1000 кОм, R16=R20=R24=250 кОм, R15=R19=R23=200 кОм.
Теперь рассчитаем глубину ОС:
γ=R16/(R16+R17)=0,25.
Коэффициент усиления на граничных частотах определяется выражениями:
Кн=Кu(fн)/(1+Кu(fн)·γ)=3,9984,
Кв=Кu(fв)/(1+Кu(fв)·γ)=3,9973.
Вычислим коэффициент частотных искажений для каскадов промежуточной части с К=5:
М5=|Кн/Кв|3=1,0008
Коэффициент частотных искажений всей промежуточной части равен:
Мпр=М2∙М5=1,0011.
5. Проектирование выходной части
Выходную часть устройства будем проектировать исходя из необходимости обеспечения требуемых выходных параметров: максимального выходного напряжения, минимального сопротивления нагрузки, максимального выходного тока. Исходя из заданных условий, выходная часть представляет из себя повторитель напряжения, построенный на основе операционного усилителя средней мощности.