|
|
Для реализации требований к ФИ выполним его по схеме двух усилителей на ОУ, один из которых является инвертирующим, другой – неинвертирующим (см. рис.4.3). Ознакомившись с характеристиками современных ОУ, было решено построить фазоинверсный каскад на операционных усилителях LM7171A_NS фирмы National Semiconductor. Параметры используемых ОУ приведены в приложении 4.
Рис. 4.3. Фазоинверсный каскад
4.5.2. Выбор сопротивлений R2 и R3 неинвертирующего усилителя.
Параметры неинвертирующего усилителя на ОУ определяются исходя из выражения:
|
Kн = R3/R2 + 1, |
(46) |
где Kн – КУ неинвертирующего усилителя;
R2, R3 – сопротивления в цепи обратной связи (см. рис. 4.3), Ом.
Кн = 2;
R2 = R3 = 511 Ом из ряда номинальных значений E96.
4.5.3. Выбор сопротивлений R4 и R5 инвертирующего усилителя.
Параметры инвертирующего усилителя на ОУ определяются исходя из выражения:
|
Kи = - R5/R4 , |
(47) |
где Kи – КУ инвертирующего усилителя;
R4, R5 – сопротивления в цепи обратной связи (см. рис. 4.3), Ом.
Ки = -2;
R5 = 1,5 кОм из ряда номинальных значений E96;
R4 = 750 Ом из ряда номинальных значений E96.
4.5.4. Оценка погрешности по постоянному току неинвертирующего усилителя.
Оценим погрешность по постоянному току для DA1 по формуле:
|
Eош.вх = Uсм+Jсм∙ + Jсдв∙ , |
(48) |
где Uсм – напряжение смещения нуля, мВ, определяемое выражением:
|
Uсм = Uсм0+C∙DT, |
(49) |
где Uсм0 –
справочное значение напряжения смещения нуля, 4мВ;
С– дрейф нуля, мкВ/°С;
DT – диапазон рабочих температур, °С; Jсм – ток смещения, мкА;
Jсдв – ток
сдвига, мкА.
DT = 25°С;
Из справочных данных на ОУ (см. прил.4) берем:
Uсм0 = 4мВ;
С = 35мкВ/°С;
Jсм = 4мкА;
Jсдв = 10мкА;
Eош.вх.DA1 = 8,452 мВ.
4.5.5. Оценка погрешности по постоянному току инвертирующего усилителя.
Оценим погрешность по постоянному току для DA2 по формуле:
|
Eош.вх = Uсм+Jсм∙ + Jсдв∙ , |
(50) |
DT = 25°С;
Из справочных данных на ОУ (см. прил.4) берем:
Uсм0 = 4мВ;
С = 35мкВ/°С;
Jсм = 4мкА;
Jсдв = 10мкА;
Eош.вх.DA2 = 11,875 мВ.
Примечания:
1. Погрешности обоих ОУ малы по сравнению с амплитудой сигнала на выходе ФИ, которая составляет 1,2 В (см. табл. 4.1).
2. Требуемую верхнюю граничную частоту и длительность фронта фазоинверсного каскада обеспечивают соответственно частота единичного усиления и скорость нарастания выходного напряжения используемого ОУ (см. прил.4).
4.5. Выбор схемотехники и расчет каскада задержки.
4.5.1. Выбор схемотехники.
Требования к параметрам каскаду линии задержки приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3
Требования, накладываемые на ЛЗ
Uвых, В
К0
fв, МГц, не менее
tф, нс, не более
0,3
0,5
73,8
5
Для реализации требований, накладываемых на ЛЗ, была выбрана схемотехника согласованной линии задержки, представленной на рис. 4.4.
Рис.4.4. Каскад задержки
4.5.2. Исходные данные для расчета ЛЗ.
§ Волновое сопротивление ρ = 100Ом;
§ Время задержки τз = 100нс;
§ Число рядов n = 2;
§ Толщина подложки d =0,22мм;
§ Диэлектрическая проницаемость ε = 2;
§ Ширина звена а = 1мм;
§ Высота звена b = 2мм;
§ Расстояние между рядами у = 3мм.
4.5.3. Расчет параметров ЛЗ.
Определение погонной емкости:
|
С0 = 10-11 ∙ε (1+a/d). |
(51) |
С0 = 110,909пФ.
Определение погонной индуктивности.
|
L0 = ρ2 ∙C0. |
(52) |
L0 = 1,109мкГн
Коэффициент связи между звеньями:
|
Ксв = 0,5∙exp(107∙L0/8). |
(53) |
Кcв = 2.
Высота звена:
|
m = 1/(π∙fs∙(L0∙C0)0.5). |
(54) |
m = 42мм.
Время задержки сигнала обусловленное одним звеном:
|
Тзв = m∙(L0∙C0)0.5. |
(55) |
Тзв = 0,4684нс.
Общее число звеньев:
|
s = τз/Тзв. |
(56) |
s = 213,503.
4.5.4. Расчет условий согласования ЛЗ.
Условием согласования ЛЗ является равенства выходного сопротивления источника сигнала и сопротивления нагрузки волновому сопротивлению ЛЗ.
Источником сигнала является ОУ предшествующего каскада, выходное сопротивление которого является бесконечно малым по отношению к волновому сопротивлению ρ линии задержки (см. п.4.5.2.). Поэтому последовательно с источником сигнала ставится резистор, значение сопротивления которого составляет:
R1 = 100 Ом.
Выходное сопротивление каскада задержки – входное сопротивление фазоинверсного каскада. Напомним, что на входе последнего стоят два ОУ, у которых входное сопротивление бесконечно большое по отношению к волновому сопротивлению ЛЗ. Поэтому параллельно ФИ ставят резистор с сопротивлением, равным волновому:
R2 = 100 Ом.
Значения R1 и R2 выберем из ряда номинальных значений E24.
4.6. Выбор схемотехники и расчет предварительного усилителя.
Требования к предварительному усилителю приведены в табл. 4.4.
Таблица 4.4
Требования, накладываемые на ПУ
Uвых, В
К0
fв, МГц, не менее
tф, нс, не более
0,6
64
21,35
17
4.6.1. Выбор схемотехники.
Для реализации требований, накладываемых на ОУ, было принято решение выполнить его по схеме двухкаскадного усилителя на ОУ. При этом схема должна осуществлять дискретную регулировку усиления (с коэффициентами деления 1:1, 1:2 и 1:5), плавную регулировку усиления – для настройки всего УВО, а также систему, осуществляющую сдвиг постоянного уровня для обеспечения сдвига наблюдаемого сигнала «вверх-вниз» на экране ЭЛТ. Последняя реализована по схеме сумматора. Вся схема представлена на рис. 4.5.
Рис. 4.5. Предварительный усилитель
Для достижения необходимых частотных свойств усилителя в нем применен ОУ LM7171A_NS фирмы National Semiconductor, параметры которого приведены в прил. 4.
4.6.2. Расчет каскада на ОУ DA1.
Каскад выполнен по схеме неинвертирующего каскада, КУ которого определяется по формуле (45). Требуемый коэффициент:
Kн = 6,4.
Исходя из этого, выбрали следующие значения сопротивлений из ряда номинальных значений E96.
R1 = 511 Ом;
R2 = 2,74 кОм.
Оценим погрешность по постоянному току для DA1 по формуле:
|
Eош.вх = Uсм+Jсм∙ + Jсдв∙ , |
(57) |
где Uсм – напряжение смещения нуля, мВ, определяемое формулой (49).
Jсм – ток смещения, мкА;
Jсдв – ток
сдвига, мкА.
DT = 25°С;
Из справочных данных на ОУ (см. прил.4) берем:
Uсм0 = 4мВ;
С = 35мкВ/°С;
Jсм = 4мкА;
Jсдв = 10мкА;
Eош.вх.DA1 = 10,91 мВ.
На выходе УВО будем иметь погрешность:
Eош.вх.DA1*10*0,5*4*67 = 14,6 В.
4.6.3. Расчет каскада на ОУ DA2.
Каскад выполнен по схеме инвертирующего каскада, КУ которого определяется по формуле (46). В этом каскаде осуществляется дискретная регулировка усиления, кратная соотношению 1:2:5. Максимальный КУ усилителя составляет:
K1и = 10.
Следовательно:
K2и = 5;
K3и = 2,5.
Исходя из этого, выбрали следующие значения сопротивлений из ряда номинальных значений E96.
R4 = 511 Ом;
R5 = 1,02 кОм (КУ = K3и = 2,5);
R6 = 2,04 кОм (КУ = K2и = 5);
R7 = 5,11 кОм (КУ = K1и = 10);
Максимальная погрешность будет при КУ = K1и = 10. Оценим ее:
|
Eош.вх = Uсм+Jсм∙ + Jсдв∙ , |
(58) |
где Uсм – напряжение смещения нуля, мВ, определяемое формулой (49).
Jсм – ток смещения, мкА;
Jсдв – ток
сдвига, мкА.
DT = 25°С;
Из справочных данных на ОУ (см. прил.4) берем:
Uсм0 = 4мВ;
С = 35мкВ/°С;
Jсм = 4мкА;
Jсдв = 10мкА;
Eош.вх.DA2 = 11,38 мВ.
На выходе УВО будем иметь погрешность:
Eош.вх.DA2*0,5*4*67 = 1,52 В.
Смещение, вносимое ОУ DA1 и DA2, можно скомпенсировать схемой сдвига уровня, реализованной по схеме сумматора на ОУ DA3.
4.6.4. Расчет каскада на ОУ DA3.
Каскад выполнен по схеме инвертирующего усилителя. В этом каскаде осуществляется плавная регулировка усиления посредством потенциометра R9.
Амплитуда сигнала на этом участке составляет 0,6 В. Каскад должен осуществлять сдвиг уровня в положительную и отрицательную сторону на 100%. Исходя из этого, рассчитали делитель, выполненный на резисторах R12, R14 и потенциометре R13. Ток делителя вычисляется по формуле:
|
Iдел = (EV7 – EV8)/(R12+R13+R14), |
(59) |
где EV7, EV8 – напряжения источников питания, В.
EV7 = +5В;
EV8 = -5В.
Выберем ток делителя равным:
Iдел = 1 мА.
Исходя из этого, выберем значения сопротивлений резисторов R12 и R14 из ряда номинальных значений E24:
R12 = 4,3 кОм;
R14 = 4,3 кОм;
R13 = 1,5 кОм – потенциометр.
Чтобы сопротивление R11 не вносило вклад в погрешность ОУ выберем его большим:
R11 = 51 кОм – из ряда номинальных значений E24.
КУ этого каскада вычисляется по формуле:
|
Kи = - R10/(R8+R9). |
(60) |
Сопротивление R9 – переменное и принимает значения:
R9 = 0..470 Ом.
R10 = 510 Ом – из ряда номинальных значений E24;
R8 = 240 Ом – из ряда номинальных значений E24.
Следовательно, исходя из формулы (58):
Kн = 0,72..2,125.
Оценим погрешность DA3:
|
Eош.вх = Uсм+Jсм∙ + Jсдв∙ , |
(61) |
где Uсм – напряжение смещения нуля, мВ, определяемое формулой (49).
Jсм – ток смещения, мкА;
Jсдв – ток
сдвига, мкА.
DT = 25°С;
Из справочных данных на ОУ (см. прил.4) берем:
Uсм0 = 4мВ;
С = 35мкВ/°С;
Jсм = 4мкА;
Jсдв = 10мкА;
Eош.вх.DA3 = 8,445 мВ.
4.7. Выбор схемотехники и расчет входного каскада.
Требования к входному каскаду приведены в табл. 4.5.
Таблица 4.5
Требования, накладываемые на входной каскад
Uвых, В
К0
fв, МГц, не менее
tф, нс, не более
0,009375
0,95
73,8
5
Кроме того, входной каскад должен обладать большим входным сопротивлением и низким выходным.
Для реализации требований, накладываемых на входной каскад, было принято решение реализовать по схеме повторителя на ОУ с полевым транзистором на входе. В качестве ОУ был выбран AD843В фирмы Analog Devices, параметры которого приведены в приложении 5. Схема входного каскада представлена на рис.4.6.
Рис. 4.6. Входной каскад
Сопротивление R1 = 1Мом шунтирует бесконечно большое по отношению к нему входное сопротивление ОУ и обеспечивает требуемое по ТЗ входное сопротивление всего УВО. Это сопротивление перенесется в аттенюатор.
Верхняя граничная частота данного каскада определяется частотой единичного усиления ОУ, и составляет fв = 34 МГц, что меньше требуемого значения. Однако, выигрыш по верхней граничной частоте в последующих каскадах компенсирует это, и требования ко всему УВО будут выполнены.
Оценим погрешность по постоянному току для DA1 по формуле:
|
Eош.вх = Uсм+Jсм∙ + Jсдв∙ , |
(62) |
где Uсм – напряжение смещения нуля, мВ, определяемое формулой (49).
Jсм – ток смещения, мкА;
Jсдв – ток
сдвига, мкА.
DT = 25°С;
Из справочных данных на ОУ (см. прил.5) берем:
Uсм0 = 0,5 мВ;
С = 1мкВ/°С;
Jсм = 20 пА;
Jсдв = 40 пА;
Eош.вх.DA1 = 585 мкВ.
На выходе УВО будем иметь погрешность:
Eош.вх.DA1*64*0,5*4*67 = 5,02 В.
4.8. Выбор схемотехники и расчет аттенюатора.
Требования к аттенюатору определяются ТЗ:
Rвх > 1 Мом;
Свх < 20 пФ.
4.8.1. Выбор схемотехники аттенюатора.
Аттенюатор реализован по схеме ЧКД с коэффициентами деления 1:1, 1:10, 1:100, 1:1000. В соответствии с этим была спроектирована схема, представленная на рис. 4.7.
Рис.4.7. Аттенюатор
4.8.2. Определение параметров нагрузки аттенюатора.
Сопротивление нагрузки определяется входным сопротивлением предварительного усилителя.
Емкость нагрузки определяется по формуле:
|
Сн = СОУ + Сд, |
(63) |
где СОУ – входная емкость ОУ, пФ;
Сд – емкость диода ограничителя.
СОУ = 4 пФ – оценили путем моделирования в среде Micro-Cap 7;
Сд = 3,7 пФ – значение из технической документации на диод КД522А (см. прил.6).
Сн = 7,7 пФ.
4.8.3. Расчет ЧКД для коэффициента деления 1:1.
Сигнал подается прямо на вход входного каскада. В этом случае входное сопротивление определяется сопротивлением R7 = 1 МОм (малое сопротивление по отношению к входному сопротивлению последующего каскада), а емкость – емкостью нагрузки:
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.