1. Исходные данные

Разработка широкополосного усилителя со следующими параметрами:

1) Коэффициент усиления напряжения К =200;

2) Параметры резистивно-емкостной нагрузки R=0,5 MOм, С=20 пФ;

3) Амплитуда входного сигнала UВХ =100мВ;

4) Внутреннее сопротивление источника входного сигнала RI=0;

5) Диапазон усиливаемых частот Fmin - Fmax =50 Гц-6.0 МГц.

Форма выходного сигнала в данном задании не оговаривается, значит, она может быть любой, так же не оговаривается инвертирующим должен быть усилитель или неинвертирующим.

2. Выбор и анализ схемы

Данное устройство можно реализовать с помощью 2-х групп схем:

1) схемы на отдельных транзисторных каскадах;

2) схемы на операционных усилителях (ОУ).

Схемы на отдельных каскадах являются сложными в расчете и имеют недостатки по сравнению со схемами на ОУ, например, такие как больший размер и большее число соединений, поэтому будем основывать реализацию на схемах на ОУ.

В ходе работы были найдены несколько схем, приведём их:

Рисунок 1 ( Граф Р.	Рисунок 2 (Граф Р.
“Электронные схемы.1300 примеров ”)	“Электронные схемы.1300 примеров ” схема 3.36)

Рисунок 3 ( Дж. Ленк	Рисунок 4 (У.Титце, К.Шенк
“Электронные схемы. Практическое руководство”стр.276(	“Полупроводниковая схемотехника” стр. 236(

В качестве базовой схемы выберем схему изображённую на рис. 2, так как она является наиболее простой для расчета и для ее реализации требуется меньшее число элементов (как активных, так и пассивных).

3. Определение параметров операционного усилителя

Рисунок 5 - R₃, C₃ – нагрузка.

1). Напряжение питания:

Из задания мы имеем: U_ВХ =100мВ=0,1 В, К=200.

U_ВЫХ=К* U_ВХ =200*0,1=20В.

Для получения на выходе устройства неискаженного сигнала с амплитудой 20В ОУ должен потреблять от источника питания никак не меньше 20 В.

Вывод: напряжение питания должно быть больше или равно 20В.

2) Полоса единичного усиления:

Из задания мы имеем: F_min =50 Гц, F_max -6.0 МГц.

Для получения коэффициента усиления 200 на частоте 6 МГц полоса единичного усиления должна быть равна 1 ГГц.

Ниже приведена диаграмма, из которой это было получено.

Рисунок 6

Вывод: полоса единичного усиления должна быть больше или равна 1ГГц.

3). Скорость нарастания выходного напряжения:

Для получения неискаженного(например, синусоидального сигнала) с амплитудой 20В на частоте 6МГц минимальная скорость нарастания выходного напряжения должна быть не меньше 753 В/мкс.

SR=2П*U*F=2*3,14*20*6*10⁶=753 В/мкс

(формула из книги Хоровиц П., Хилл В. «Искусство схемотехники»)

Вывод: скорость нарастания должна быть больше или равна 753 В/мкм

4).Выходной ток:

I_ВЫХ( F_max)= К* U_ВХ/Z_Н( F_max)=

= К* U_ВХ*/(R/(1+2П*f_max*C*R))=200*0,1/(0,5*10⁶/(1+6,28*6*10⁶*2*10^-11*0,5*10⁶))=15,112мА.

Вывод: выходной ток ОУ должен быть больше или равен 15,112мА.

В ходе поиска ОУ, удовлетворяющего полученным параметрам, были изучены линейки продукции следующих фирм-производителей: Analog Devices, National Semiconductor, Linear Technology, Maxim, Texas Instruments.Среди стандартных устройств не было найдено ОУ, подходящего по всем параметрам: есть либо высокоскоростные и широкополосные ОУ (с нужными полосой единичного усиления и скоростью нарастания, но малым напряжением питания), либо высоковольтные (с нужным напряжением питания, но с узкой полосой). Поэтому было решено использовать двухкаскадную схему для построения широкополосного усилителя (ШУ).

Схема приведена ниже.

Рисунок 7- R₅,. C₃ – нагрузка.

Для удобства параметры усилительных каскадов и ОУ, требуемых для их построения, сведены в таблицу. Параметры ОУ определяются как в п.I.Первый каскад - маломощный, второй - мощный.

Таблица 1 - Параметры усилительных каскадов и ОУ

Параметры усилительных каскадов
Параметр	Маломощный каскад	Мощный каскад
Входное напряжение (макс)	0,1В	10В
Выходное напряжение (макс)	10В	20В
Коэффициент усиления *	100	2
Полоса пропускания	6МГц	6МГц
Основные параметры операционных усилителей
Напряжение питания	>12В	>20В
Скорость нарастания	>380В/мкс	>760В/мкс
Полоса единич. усиления	120МГц	70Мгц

* такое соотношение коэффициентов усиления позволяет решить проблему узкополосности высоковольтного ОУ.

Очевидны преимущества использования в обоих каскадах одинаковых ОУ (упрощение расчетов; возможность применения одной микросхемы, содержащей 2 ОУ).

Построим ШУ на ОУ AD811 производства фирмы Analog Devices., так как он наилучшим образом удовлетворяет необходимым параметрам.