Организационные основы и этапы проктирования

 

Общие положения

 

Задачу проектирования аналоговых устройств (АУ) рекомендуется решать на основании следующих принципов:

1.Стремление выполнить требования ТЗ.

2.Стремление выполнить ТЗ наилучшим образом в соответствии с критериями оптимальности. АУ должно быть простым, дешевым, надежным (минимум активных элементов), с минимальным потреблением мощности, долговечным.

3.Использовать опыт предшествующих разработок, известные решения, аналоги, использовать известные методы расчета и анализа.

4.Идти последовательно, от ТЗ к структуре АУ, далее к принципиальной схеме, ее расчету и сравнению ее параметров с требованиями ТЗ.

5.Применять универсальные приемы (обратные связи, корректирующие цепи).

 

Основные этапы

 

Все эти принципы конкретизируются в оптимальной процедуре проектирования аналоговых устройств, включающих следующие этапы:

1. Анализ и доработка технического задания, включающая выбор неуказанных в ТЗ параметров исходяиз назначения, анализа источников.

2. Эскизное проектирование, целью которого является синтез структуры АУ, варианта (вариантов) и определение требований к отдельнымузлам.

3. Электрический расчет величин элементов АУ и выбор их типов.

4. Расчет результирующих характеристик и параметров и проверкаих соответствия требованиям технического задания.

5. Оптимизация (исправление) принятых решений в соответствии с ТЗ и критериями оптимизации.

6. Разработка конструкции АУ.

7. Оформление технической документации.

 

1.3 Краткое содержание основных этапов

 

Эскизное проектирование

Цель эскизного проектирования - синтез структуры АУ, варианта (вариантов) и определение требований к определенным каскадам АУ.

Рекомендуется следующая процедура эскизного проектирования:

1.Изучение аналогов.

2.Анализ и доработка ТЗ.

3.Выбор элементной базыАУ.

4.Выбор конкретных типов микросхем или транзисторов, определение режима их работы, параметров.

5.Выбор типов входного, выходногои промежуточного каскадов и блоков.

6.Определение числа каскадов.

7.Выбор схемы вспомогательных цепей (регулировка параметров и характеристик и т.д.).

8.Определение необходимости применения обратных связей, цепей коррекции.

9.Распределение параметров и искажений между каскадами.

10.  Разработка функциональной схемы АУ.

11.  Составление варианта (вариантов) схемыАУ.

12.  Сопоставление вариантов принципиальных схем по критериям оптимальности.

1.3.2 Электрический расчет базового варианта принципиальной схемы АУ

Расчет принципиальнойсхемы АУ проводится покаскадно,исходяиз определенных на этапе эскизного проектирования требований к каждому каскаду. Процедура расчета типовых аналоговыхсхем хорошо формализована и изложена в литературе. На этом этапе величинынекоторых элементов каскада приходится выбирать,а остальные - рассчитывать. Расчетные значения величин элементов должны быть округлены в соответствии с ГОСТом и ТУ на изделия.

 

Рекомендации по проектированию устройств аналоговой обработки сигнала

 

АУ характеризуется рядом технических показателей. В зависимости от того, какие из показателей считают основными, формулируются требования к проектированию АУ и выбираются способы их технической реализации. К основным показателям относятся: коэффициент усиления, амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, переходные характеристики, коэффициент нелинейных искажений, уровень помех, чувствительность, устойчивость, входное и выходное сопротивления. Спроектированное устройство должно удовлетворять определенному сочетанию упомянутых показателей.

При проектировании АУ и отдельных их звеньев с учетом приведенных качественных показателей целесообразно классифицировать их следующим образом: 1) усилители постоянного тока; 2) усилители низкой частоты; 3) широкополосные усилители; 4) импульсные усилители; 5) частотно-избирательные усилители; 6) усилители сигналов большой интенсивности; 7) усилители высокой чувствительности; 8) аналоговые устройства на базе усилителей.

Каждый из перечисленных типов АУ имеет отличительные особенности.

Классификация аналоговых устройств

Усилители постоянного тока (УПТ) — широкийкласс усилителей, способных усиливать сигналы, начиная с нижней граничной частоты f_н = 0. Это достигается осуществлением связей с источником сигнала и с нагрузкой, а также межкаскадных связей с помощью резисторов, диодов, транзисторов без применения разделительных конденсаторов и трансформаторов, не способных передавать напряжение при f → 0. Верхнюю граничную частоту f_в УПТ обычно выбирают исходя из технических требований на устройство, в которых они применены, в целом.

В микроэлектронике УПТ удобно использовать в качестве составных частей ряда сложных устройств и систем. УПТ в интегральном исполнении компактны, дешевы, обладают достаточно устойчивыми качественными показателями и при проектировании аналоговых и различных функциональных устройств могут рассматриваться в качестве базового усилительного прибора.

Усилители низкой частоты (УНЧ) - устройства, предназначенные для усиления переменных составляющих сигнала в диапазоне от заданной нижней граничной частоты f_н > 0 до некоторой верхней граничной частоты f_в. Обычно для усилителей этого типа отношение f_в/ f_н =10²10⁵.

Широкополосные усилители (ШУ) являются устройствами, усиливающими сигналы в широком диапазоне от заданной граничной нижней частоты f_н до некоторой верхней граничной частоты f_в. При этом f_в может достигать нескольких десятков мегагерц. Основное требование к ШУ - обеспечение равномерного усиления сигнала в широком диапазоне частот с заданным коэффициентом усиления. Для создания ШУ необходимо применять высокочастотные аналоговые приборы, принимая при этом специальные меры по расширению (коррекции) полосы пропускания.

Импульсные усилители (ИУ) предназначены для усиления импульсных сигналов. Эти усилители по своему устройству практически не отличаются от широкополосных. Однако их проектирование имеет некоторые особенности.

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 безприменения 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 базеактивных 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 способееговключения 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 nкаскадов, 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.