1.3. Выбор принципиальной схемы инструментального усилителя и подавителя синфазной помехи

В соответствии с функциональной схемой (рисунок 3) выбираем трехусилительную схему инструментального усилителя, ибо эта схема имеет вспомогательный выход синфазного напряжения. Электрическая схема проектируемого инструментального усилителя показана на рисунке 5. Здесь предусмотрено включение конденсаторов С1 и С2 в цепях отрицательной обратной связи (ООС) усилителей DA1 и DA2 для формирования верхнечастотного спада амплитудочастотной характеристики (АЧХ).

Нагрузка подключается через разделительный конденсатор С3 предназначенный для формирования низкочастотного спада АЧХ. Во входных цепях DA1 и DA2 учтены паразитные емкости соединительных кабелей С_каб. Источники тока (для компенсации помехи) выполняются на каскадах с общим эмиттером и отрицательной обратной связью типа Z. Эти источники тока реализуются на транзисторах VT1, VT2 (источник тока №1) и VT3, VT4 (источник тока №2). Усилитель №4, показанный на рисунке 3, реализуется на транзисторах VT10, VT11 и транзисторах источников тока. Для термостабилизации транзисторных преобразователей предусмотрена термокомпенсация с помощью токовых зеркал на транзисторах VT5…VT9 и VT12.

Работа проектируемого усилителя с подавителем синфазной помехи во входной цепи происходит следующим образом. Усилители DA1 и DA2 усиливают полезный сигнал в раз, а сигнал синфазной помехи передают с единичным коэффициентом передачи. Сопротивления резисторов R12 и R13 выбираются равными друг другу. Поэтому напряжение на эмиттерах VT10, VT11 пропорционально напряжению синфазной помехи. Транзисторы VT10, VT11 работают в схеме с общей базой и передают входной ток (пропорциональный напряжению синфазной помехи) без усиления на резисторы R7 и R8, где формируются усиленные напряжения, пропорциональные синфазной помехе. Напряжения с резисторов R7 и R8 управляют коллекторными токами транзисторов VT1…VT4. Удвоенные приращения коллекторных токов каждой пары VT1, VT2 и VT3, VT4 создают на сопротивлениях R_ист компенсирующие падения напряжения, которые уменьшают амплитуду синфазной помехи на входах усилителей DA1 и DA2. Дифференциальный усилитель DA3 усиливает полезный сигнал с выходов DA1 и DA2 в раз и ослабляет остаточную синфазную помеху. В результате таких преобразований на резисторе нагрузки R_н формируется усиленный в заданное число раз полезный сигнал, а синфазная помеха на выходе DA3 пренебрежимо мала.

Рисунок 5 - Предварительная электрическая схема инструментального усилителя с подавителем синфазной помехи во входной цепи.

2. Расчет преобразователя питания

2.1. Эскизное проектирование преобразователя питания

Выберем тип преобразователей, составим функциональную и принципиальную схемы преобразователя питания. Т.к. заданная амплитуда выходного напряжения больше одного вольта, то обойтись без преобразователей повышающих и инвертирующих напряжение питания не удастся. Преобразование напряжения 3В (от двух батарей по 1,5В) в напряжения (где ориентировочное значение получено в разделе 1.2) осуществим двухступенчатым преобразованием с повышением входного напряжения до стандартного уровня +6В, а затем преобразование его в 12В. Для этого выберем микросхему типа МАХ681 и MAX660. Параметры микросхем приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры микросхем источника питания.

Тип МС	Входное напряжение, В	Выходное напряжение, В	Сила выходного тока, mA	КПД, %	Наличие дополнительных элементов
МАХ 681	2…6	без стабилиз.	50	80…88	Нет
МАХ 660	1,5…5	2Uвх	100	88	конденсатор

Выбор варианта преобразования напряжения питания произвели по уровню требуемого напряжения и потребляемой силы тока в инструментальном усилителе. Силу потребляемого тока (по цепи питания) ориентировочно (в эскизном расчете это допустимо) определили таким образом:

где 3mA (для ОУ общего применения);

1mA (ориентировочно);

Функциональная схема преобразователя питания показана на рисунке 6. Здесь кроме тех элементов, которые рассматривались ранее, имеется устройство контроля разряда батарей, которое должно сигнализировать оператору о том, что работа с данными батареями далее невозможна.

Рисунок 6 - Функциональная схема преобразователя питания.

Пример принципиальной электрической схемы преобразователя питания показан на рисунке 7.

Рисунок 7 - Принципиальная электрическая схема преобразователя питания.

В этом варианте преобразователя питания сигнализация о разряде батарей осуществляется с помощью светодиода VD1.7. Светодиод должен начать светиться если выходные напряжения преобразователя питания снизятся до уровня minEп, значение которого было определено в разделе 1.2. Рассчитаем преобразователь питания.

,

где (max U_вых1) и (max I_вых1) – соответственно максимальные значения выходных напряжения и силы тока для MAX660

Мощность потерь в MAX660:

,

где η_DA1.7 – значение КПД для MAX660

Аналогичные вычисления произведем для второй микросхемы преобразователя питания MAX681:

,

где (max U_вых2) и (max I_вых) – соответственно максимальные значения выходных напряжения и силы тока для MAX681

Мощность потерь в MAX681:

где η_DA2.7 – значение КПД для MAX681, т.к.в таблице 1 указан диапазон возможных значений КПД, то расчетное значение КПД определяем по формуле:

,

где (minη) и (maxη) – соответственно, минимальное и максимальное значение КПД.

Устройство контроля разряда батарей включено между MAX660 и MAX681. Для этого устройства:

,

где

Для красных светодиодов силы тока 5мА достаточно для яркого свечения.

Сила тока, потребляемая от электрохимических батарей:

где : ;

;

I_потр – сила тока, потребляемая проектируемым ИУ и подавителем помех (определена в разделе 2.1)

В первый момент, после включения питания, напряжение на электрохимических батареях равно номинальному (паспортному) значению, т.е. для двух последовательно включенных батарей 2Е_б. За счет разряда током I_бат, напряжение на батареях будет уменьшаться по мере увеличения продолжительности работы. Если ограничить время работы проектируемого устройства интервалом, в конце которого выходное напряжение преобразователя питания снизится до уровня (minE_п), то длительность непрерывного рабочего времени можно определить по формуле:

где

,

,

Значения С_номин и I_номин – значения емкости и тока разряда для выбранного типа батареи. Характеристики выбранной батареи представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Емкость электрохимического источника тока (батареи).+

Тип батареи	Емкость батареи, АЧас	Номинальное напряжение, В	Сопротивление нагрузки, не менее, Ом	Номинальная сила тока разряда, А
343	0,7	1,55..0,85	6…10	0,06