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).
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 исходя из назначения, анализа источников.
2. Эскизное проектирование, целью которого является синтез структуры АУ, варианта (вариантов) и определение требований к отдельным узлам.
3. Электрический расчет величин элементов АУ и выбор их типов.
4. Расчет результирующих характеристик и параметров и проверка их соответствия требованиям технического задания.
5. Оптимизация (исправление) принятых решений в соответствии с ТЗ и критериями оптимизации.
6. Разработка конструкции АУ.
7. Оформление технической документации.
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 базы АУ.
4.Выбор конкретных типов микросхем или транзисторов, определение режима их работы, параметров.
5.Выбор типов входного, выходного и 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) схемы АУ.
12. Сопоставление вариантов принципиальных схем по критериям оптимальности.
1.3.2 Электрический расчет базового варианта принципиальной схемы АУ
Расчет принципиальной схемы АУ проводится покаскадно, исходя из определенных на этапе эскизного проектирования требований к каждому каскаду. Процедура расчета типовых аналоговых схем хорошо формализована и изложена в литературе. На этом этапе величины некоторых элементов каскада приходится выбирать, а остальные - рассчитывать. Расчетные значения величин элементов должны быть округлены в соответствии с ГОСТом и ТУ на изделия.
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) — широкий класс усилителей, способных усиливать сигналы, начиная с нижней граничной частоты fн = 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 fв 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 fн > 0 до некоторой верхней граничной частоты fв. Обычно для усилителей этого типа отношение fв/ fн =102105.
Широкополосные усилители (ШУ) являются устройствами, усиливающими сигналы в широком диапазоне от заданной граничной нижней частоты fн до некоторой верхней граничной частоты fв. При этом fв 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 без применения 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 базе активных 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 способе его включения 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.