Широкополосный усилитель переменных сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

широкополосный усилитель нелинейный

Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием электроники. На сегодняшний день невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники, автоматики, а тем более вычислительной техники. Это связано с многочисленными положительными качествами электронных устройств, такими как высокое быстодействие, надёжность, помехоустойчивость, а в некоторых случаях и незаменимость. Например, надёжная работа ядерного реактора невозможна была бы без применения вычислительных машин и множества разнообразных датчиков, так как контроль за процессом размножения нейтронов должен быть очень высоким - нельзя допускать превышение этого коэффициента даже на сотые доли процента. Такую точность может обеспечить только автоматика.

В большинстве электронных приборов и устройств необходимо обеспечить усиление электрических сигналов ввиду естественных потерь рассеивания энергии. Усиление представляет собой процесс преобразования энергии внешнего источника под воздействием на него управляющего (усиливаемого) сигнала. Для этих целей используются устройства, называемые усилителями.

Усилитель предназначен для увеличения мощности, напряжения или тока сигнала, подведённого к его входу. Выходной сигнал должен либо соответствовать входному, либо отличаться от него в определённых заданных пределах. В качестве источника сигнала может использоваться любой преобразователь какого-либо вида энергии в электрические колебания, например микрофон, магнитная головка, звукосниматель, датчик, радиотехническое устройство.

Техника усиления электрических сигналов непрерывно развивается и совершенствуется. Это связано в первую очередь с развитием и совершенствованием радиоэлектроники и технологий, разработки принципиально новых усилительных приборов. Появление новых полупроводниковых приборов и технологических процессов позволило объединить множество транзисторов, диодов, резисторов в одно устройство -- интегральную микросхему -- ИС.

При развитии линейных ИС значительно расширились возможности использования усилительных устройств. Применяя в качестве усилительного устройства ИС, можно решать ряд задач, связанных с аналоговой обработкой сигналов. Наряду с этим не утратили актуальность и многие проблемы проектирования усилителей на дискретных элементах, где в основе усилительного прибора используют транзистор.

Умение проектировать усилители на таких транзисторах позволяет решать многие схемотехнические задачи, возникающие при проектировании самих ИС.

В настоящем курсовом проекте приведён пример расчёта широкополосного усилителя переменных сигналов с бестрансформаторным двухтактным каскадом мощного усиления.

Рассмотрен анализ частотных и нелинейных искажений отдельных каскадов и всего усилителя в целом.

Значительное внимание уделено конструктивному расчёту источника электрического питания.

Пояснительная записка снабжена необходимыми для расчётов дополнительными сведениями, содержащих пояснительные схемы, рисунки, таблицы и приложения.

1.Обзор технической литературы

1.1 Виды построения схем усилителей

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

В первую очередь усилитель характеризуется: коэффициентами усиления по напряжению, по току или мощности.

Кu= U_вых/U_вх, К_I=I_вых/I_вх, K_P= P_вых/P_вх

Частотные свойства усилителя отображаются Амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристиками (далее АЧХ и ФЧХ). Первая из них представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты. ФЧХ представляет собой зависимость от частоты сдвига фаз между выходным и входным сигналами, обусловленного реактивными свойствами отдельных элементов схемы. При усилении прямоугольных импульсов качество работы усилителя оценивается по переходной характеристике. Это зависимость от времени выходного напряжения при воздействии на вход усилителя напряжения ступенчатой формы.

В выходном напряжении наряду с основной составляющей сигнала всегда присутствует составляющая помехи. Уровень помех на выходе не должен превышать некоторой определенной доли выходного сигнала. Основные помехи, возникающие в усилителе- это фон и шумы Уменьшение фона достигается за счет:

сглаживания пульсаций питающего напряжения;

использования отрицательной обратной связи(далее ООС);

рациональной конструкции и монтажа устройства.

Одним изб авжных качественных характеристик усилителя является чувствительность. Под чуствительностью понимают меру изменения той или иной характеристики усилителя, вызванного изменением одного или нескольких эл-тов.

Самые простые усилители построены на транзисторах или операционных усилителях(далее ОУ), сосотоящих из одного каскада усиления.

Рис.

На рис. 2 в качестве усилительного элемента использован ОУ. По принципу действия ОУ сходен с обычным усилителем. Он также предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, а свойства и параметры ОУ определяются преимущественно параметрами цепи ОС. Благодаря практически идеальным характеристикам Оу реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов.

Общая структурная схема усилителя имеет вид:

Рис.2 Структурная схема усилителя

Типичная схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ показана на рис.1. Как правило, часто используют для достижения заданного коэффициента усиления, несколько последовательно соединенных усилительных каскадов с резистивно-емкостной цепью межкаскадной связи.(рис.3 )

Рис. 3

Для улучшения качественных показателей широко используется отрицательная ОС (далее ООС). При наличии ООС часть выходного сигнала передается на вход с противоположной по отношению к входному сигналу фазой. Поэтому введение ООС вызывает уменьшение коэффициента усиления, но при этом удается снизить уровень нелинейных искажений, повысить стабильность усиления, улучшить АЧХ и ФЧХ. В ряде случаев с помощью ООС формируют необходимые функциональные зависимости выходного сигнала от входного и решают задачи, связанные с построением аналоговых устройств на базе усилителей. Применение ООС позволяет расширить полосу равномерно-усиливаемых частот. Вместе с тем наличие реактивных элементов в усилителе приводит к снижению устойчивости усилителей с ООС. Поэтому при расчете многокаскадных усилителей с ООС важное значение приобретают вопросы устойчивости, что характерно для ШУ. С учетом приведенных качественных показателей целесообразно классифицировать усилители следующим образом:

усилители постоянного тока;

усилители низкой частоты;

широкополосные усилители;

импульсные усилители;

частотно-избирательные усилители;

усилители сигналов большой интенсивности;

усилители высокой чувствительности;

аналоговые устройства на базе усилителей;

Широкополосный усилитель 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 усилительные приборы, принимая при этом специальные меры по расширению(коррекции) полосы пропускания. В настоящее время ООС широко применяется в схемах с ОУ. Такие схемы могут также быть одно- и многокаскадные и могут использоваться совместно каскадами на транзисторах, что позволяет на много улучшить характеристики.

Рис. 4

На рис.4 представлен усилитель мощности рассчитанный на работу с нагрузкой сопротивлением 4 Ом., на ней он способен развивать мощность около 20 Вт. При этом коэффициент гармоник в диапазоне частот 20- 20000 Гц. не превышает 1%, а вообще усилитель способен пропускать сигналы частотой до нескольких сотен килогерц. Чтобы получить номинальную выходную мощность, на вход усилителя требуется подать сигнал амплитудой 0.7 В. Входное сопротивление усилителя не превышает 12 кОм. В усилителе 10 транзисторов. На транзисторах VT1 и VT2 собран дифференциальный каскад, он нужен для поддержания весьма малого постоянного напряжения на нагрузке. В этом случае режим работы диф. каскада должен быть весьма стабилен- вот почему он питается через стабилизатор тока , выполненный на ПТ VT3.

Сигнал с предварительного усилителя поступает через конденсатор С1 на базу одного из транзисторов диф. каскада(VT1). С нагрузки каскада (резистор R2) сигнал подается на базу транзистора VT5 , в коллекторной цепи которого также стоит стабилизатор тока ( на транзисторе VT4), являющийся одновременно нагрузкой. С нее сигнал поступает на фазоинверсный каскад, собранный на транзисторах VT7, VT9. Между базами этих транзисторов включена цепочка из транзистора VT6 и подстрочного резистора R6.

Напряжение смещения между базами зависит от сопротивления участка коллектор-эмиттер транзистора VT6, а оно , в свою очередь, зависит от положения движка подстрочного резистора- им и устанавливают нужное сопротивление.

В выходном каскаде, как и в фазоинверсном, применены транзисторы разной структуры(VT8, VT10). Выходной каскад соединен с дифференциальным каскадом через цепочку R5,C4,R4,C3. Это ООС, снижающая нелинейные искажения и улучшающая частотную характеристику усилителя мощности. Для предотвращения возможного самовозбуждения усилителя на высоких частотах резистор нагрузки дифференциального каскада зашунтирован конденсатором С2.

Далее рассмотрим еще одну схему:



Рис. 5

На рис. 5 представлена схема усилителя предназначенного для работы с сигналами до 10мВ и в полосе частот от 10Гц до 30кГц. Для уменьшения собственных шумов в двух первых каскадах применены высокочастотные транзисторы в режиме малых коллекторных токов. Ток VT1 равен 40мкА, а ток VT2-100мкА. Включение в третьем каскаде транзисторов разных типов проводимости упростило межкаскадное соединение и улучшило температурную стабильность. Включение в эмиттер VT3 стабилитрона позволило увеличивать напряжение в коллекторе транзистора VT2 и тем самым увеличить коэффициент усиления усилителя. Напряжение пробоя стабилитрона определяет динамический диапазон входного сигнала. Коэффициент усиления может составлять 5 10⁴.В полосе пропускания уровень собственных шумов, приведенный ко входу, лежит в пределах от 1.5 до 2.5 мкВ.

Схема не нуждается в пояснении на структурном уровне.

Далее приведена ещё одна схема:

Рис.6

Усилитель состоит из входного и выходного каскадов, выполненных соответственно на транзисторах VT1, VT2 (оба включены по схеме ОЭ). Улучшение АЧХ и ФЧХ усилителя без ООС достигается гальванической связью между каскадами. Для стабилизации рабочей точки транзистора VT1 смещение на его базу подается через резистор R7 с эмиттера транзистора VT2. Усилитель охвачен ООС (цепь R6, С4), подаваемой с коллектора VT2 на эмиттер VT1. Фильтр R2 С3 уменьшает влияние пульсаций источника питания.

1.2 Блоки питания ШУПС

Многие параметры усилителя зависят от блока питания (БП). Во-первых, он определяет уровень стабильности питающего каскады напряжения. Положение рабочей точки каждого звена зависит от напряжения питания; и при большой нестабильности последнего нестабильно и положение рабочей точки, что, естественно, приводит к возникновению помех.

Во-вторых, структура практически каждого блока питания содержит трансформатор, а он является источником электромагнитных помех и вибраций, что тоже сказывается на качестве усиления.

Наконец, каждый БП имеет предел своих динамических возможностей (максимальная скорость нарастания выходного тока), что часто является причиной динамических искажений выходного сигнала: при резком фронте выходного сигнала требуемая скорость роста выходного тока может быть больше, чем максимальная скорость роста тока БП, при этом фронт получается более пологий, т.е. искаженный.

Наивысшими динамическими характеристиками обладает простейший блок питания, структурная схема которого приведена ниже.

Рис.7 Структурная схема блока питания

Очень часто применяют трансформаторы с Ш-образным сердечником.

За основу выпрямителя берутся полупроводниковые вентили (кремниевые диоды), включенные по мостовой схеме 2-х полупериодного выпрямителя. На диоды не накладывается особых ограничений. Главное чтобы они были рассчитаны не меньше чем на половину выпрямленного напряжения, и на заданную мощность БП.

В качестве фильтра используется конденсатор, включенный параллельно нагрузке. Стабилизатор напряжения параметрический. При необходимости нескольких выходных напряжений для разных каскадов, стабилизаторов может быть несколько.

2. Синтез структурной схемы

В усилительной технике используют различные виды схем, а именно: структурные и принципиальные схемы усилителей, монтажные схемы и эквивалентные ей.

Для наглядного изображения устройства усилителя пользуются структурной схемой, называемой также функциональной или скелетной схемой , на которой прямоугольниками с надписями изображают основные части (узлы) усилителя. Такими частями называются входное и выходное устройства, предварительный усилитель, мощный усилитель.

Рис.8 Синтез структурной схемы

Цепь связи (ЦС)служит для передачи сигнала от предыдущего элемента структурной схемы к следующему. Цепь связи должна быть выполнена так, чтобы сигнал передавался с наименьшими потерями.

Предварительный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов предварительного усиления, назначением которых является усиление напряжения, тока или мощности сигнала до величины необходимой для подачи на вход оконечного усилителя. Основное требование предъявляемое к каждому каскаду предварительного усиления(КПУ), заключается в получении возможно большего усиления напряжения, тока или мощности сигнала, так как при этом число КПУ будет наименьшим. Число КПУ зависит как от уровня входного сигнала, так и от уровня сигнала, необходимого для подачи на вход предоконечного каскада усиления (ПОКУ).

В зависимости от условий работы каскады предварительного усиления весьма разнообразны по использованию в них типов усилительных элементов, способов их включения, схем каскадов. Для уменьшения количества каскадов предварительного усиления в них используют усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления. Способ их включения, режим работы, положение точки покоя на характеристиках усилительного элемента, электрические данные схемы межкаскадной связи выбирают таким образом, чтобы получить от каскада наибольшее усиление при допустимых частотных или переходных искажениях и возможно меньшем потреблении мощности от источника питания. Благодаря современной элементной базе, в каскаде предварительного усиления можно использовать не транзисторы, а операционный усилитель в интегральном исполнении.

Оконечный каскад усиления (ОКУ) предназначен для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала. Основное требование, предъявляемое к ОКУ, заключается в отдаче заданной мощности. Эта мощность должна отдаваться при допустимом уровне нелинейных, частотных и переходных искажений, а также при возможно меньшем от источников питания.

Питание входных цепей УЭ в многокаскадных усилительных устройствах обычно производится от одного источника питания постоянного тока, подключая к нему цепи коллекторов, стоков, анодов всех каскадов параллельно, так как при этом влияние каждого из каскадов на остальные минимально. Основным требованием, предъявляемым к источнику питания усилителя, является отдача им тока необходимого для питания всех цепей усилителя при заданном напряжении.

К простейшим источникам питания относятся нерегулируемые выпрямители. Необходимое напряжение на нагрузке получается путем коэффициента трансформации силового трансформатора, одновременно обеспечивающего электрическую изоляцию цепи нагрузки выпрямителя от первичной сети. Для стабилизации выходного напряжения нерегулируемого выпрямителя используют стабилизирующее устройство, включаемое на вход или выход выпрямителя, а для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя ставят реактивные фильтры. Ниже приведена структурная схема источника питания.

Рис.9 Структурная схема блока питания

Разработаем структурную схему требуемого усилителя.

Исходя из заданного коэффициента усиления определим количество каскадов усиления.

Амплитуда выходного напряжения Umвых = = =27,38 (B)

Коэффициент усиления по напряжению усилителя Ku = Umвых/Umвх = 27,38/0.015 = 1825

Lku = 20lg(Ku) = 67(дБ)

Определим выходной ток ( ток в нагрузке ) Imвых = Umвых/Rн = 27,38/75 =0,51(А).

Оконечный каскад будет выполнен по схеме с общим коллектором, поэтому его коэффициент усиления чуть меньше единицы. Тогда входной и промежуточный каскады должны обеспечить коэффициент усиления приблизительно равный 8600…8700. Так как коэффициент усиления довольно велик, для использования транзисторных каскадов, то будем использовать каскады построенные на ОУ.Для получения заданного коэффициента передачи нам хватит двух усилительных каскадов, которые будут построены с использованием ООС.

Это вызвано тем, что такие каскады обладают следующими достоинствами: большой коэффициент усиления, большое входное сопротивление, широкая полоса пропускания частот, малые частотные искажения. Т.к. ОУ имеет большое входное сопротивление, нет необходимости использовать во входном каскаде эмиттерный повторитель.

Исходя из вышесказанного выберем в качестве входного и предоконечного каскадов усилители на ОУ, включённых по инвертирующей схеме. Взята инвертирующая схема включения ОУ из-за относительно не больших расчетов параметрови характеристик таких каскадов.

Структурную схему БП оставим такой, какой она приведена выше, так как она обладает наивысшими динамическими характеристиками.

3.Расчет элементов схемы

3.1 Расчёт выходного каскада

Рис. 10

Определим напряжение питания выходного каскада:

U_пит = U_нач + U_mн , где U_mн = ,Uнач - начальное напряжение коллектор-эмиттер( U_наскэ).[1]

Выберем комплементарную пару транзисторов для определения U_нач .Для этого определим параметры, которым должны удовлетворять транзисторы:

Максимальное напряжение коллектор - эмиттер :

U_кэmax > U_нач + U_mн .

Максимально допустимое рассеивание мощности на коллекторе :

P_кmax = 0.2P_н = 1.2 (Вт).

Максимальный ток коллектора:

==0.283(А).

Предельная частота усиления транзистора: f_h21э > 2f_в>24000000=4000000(Гц).

Выбирем комплементарные транзисторы КТ646А(n-p-n) и КТ647Б(p-n-p).

Параметры транзистора КТ646А:

U_кэmax =80(В),

P_кmax = 2(Вт),

I_кmax = 1.5(A),

U_{кэнасmax} = 0.85(В),

U_бэнас = 1.2(B), h_21э = 45, f_гр = 10(МГц),

С_к = 10 (пФ),

С_э = 80(пф).

Исходя из этих параметров определим U_пит > U_нач + U_mн = 27.38 + 0.85 = 28.23 (В).[1]

Выберем U_пит = 30(В) ( U_кэmax > U_пит ).

Рис.11 Выходная ВАХ транзистора

Построим нагрузочную прямую:

U_кэ = U_пит = 30(В) , I_к = 0.365(А).

Выбрав режим работы каскада в классе А для достижения минимальных нелинейных искажений, определим рабочую точку транзистора: U_кэ=20(В), I_к = 110(мА). Этой точке соответствуют: U_бэ = 0.55(В), I_б = 0.5 (мА).



Рис.12 Входная ВАХ транзистора.

Исходя из этого, диод VD1 должен обеспечивать падение напряжения U_д = 2U_бэрт = 20.55=1.1 (В).

Выберем диод Д220Б. Из его характеристик следует,что для обеспечения напряжение смещения транзисторов U_д = 1.1(В) ток диода должен быть равен 23(мА).При этом необходимо,чтобы I_д > (23)I_брт = 1.3 1.95(мА) - условие выполняется.[1]

Определим номиналы сопротивлений R₉ и R₁₀.

Сопротивления резисторов R₉ и R₁₀ принимают одинаковыми и определяют по формуле:

R₉ = R₁₀ = (U_пит - 2U_бэрт)/2I_д = (30 - 20.55)/20.025 = 628.3(Ом). Выберем ближайшие номиналы из стандартного ряда Е96 : R₉ = R₁₀ = 634 2% (Ом).Для выбора типа резисторов подсчитаем мощность рассиевания на них : P_R9 = P_R10 = I_д²R₉ = 0.025²634 =0.396(Вт).

R_дел = = R₉/2 = 634/2 =317(Ом).

Для определения входного тока, входного напряжения каскада определим следующее:

g₂₁=I_mн/U_mбэ=0.365/0.092=3.97 (См) -усреднённая крутизна характеристики транзистора,

K_u0 = g₂₁R_н(1+g₂₁R_н)^-1 = 0.998 - коэффициент передачи по напряжению на средних частотах,

Тогда U_mвхОК = U_mн/K_u0 = 27.38/0.998 = 27.513(B);

F = 1+g₂₁R_н = 1 + 3.9775 = 298.5 - глубина обратной связи, g₁₁ = I_mб/U_mбэ = 0.002/0.092=0.022(См) - усреднённая входная проводимость транзистора,

R_вх = FR_дел(F+g₁₁R_дел)^-1 = 309.7(Ом) - входное сопротивление каскада на средних частотах.

Тогда I_mвх = U_mн/R_вх = 27.38/309.7 = 0.088(A).[1]

3.2 Расчёт входного и промежуточных каскадов усиления

Для обеспечения на входе оконечного каскада напряжения U_вхОК=27,38(B) общий коэффициет усиления по напряжению обоих каскадов ,выполненных на ОУ по инвертирующей схеме, должно быть равным:

K_оу = U_вхОК/U_mвх = 27,38/1510^-3= 1825.

Тип ОУ и его параметры:

К1420УД1:

U_пит = 15(В)

P_пот= 375(мВт)

U_см = 2(мВ)

Ku = 350 f₁ = 110(МГц)

Скорость нарастания : 70 (В/мкс)

R_вх = 0,25(МОм)

R_н = 10(кОм)

R_вых = 150(Ом)

I_io = 10(нА)

I_io - входной ток смещения, R_н - оптимальное сопротивление нагрузки .

Пусть ОУ имеют коэффициенты усиления по напряжению K_оу1=14 , , K_оу2 =13, K_оу3 =13 тогда общий коэффициент усиления K_oу = K_оу1K_оу2K_оу3=141313=2366.

Выбор К1420УД1 в качестве операционного усилителя объясняется тем,что напряжение смещения у него намного меньше амплитуды напряжения входного сигнала.

3.3 Расчёт предоконечного и промежуточного каскадов

Определим минимальную частоту единичного усиления,которая должна быть у ОУ. f₁=K_оу2f_в = 134000000 = 52(Мгц).Частота f₁ для К1420УД1 равна 110(МГц).Т.е. хватает с запасом.

Учитывая нагрузочную способность предыдущего ОУ в 10 кОм выберем R₆ = 10(кОм),тогда R₇= K_оу2R₆= = 1410000 = 140(кОм).

Выбор R₆ также производят из условия,что падение напряжения на нём от среднего входного тока I_io меньше входного сигнала на порядок,т.е. I_ioR₆ 0.1U_вхmax.Таким образом R₆ 0.1U_вхmax/I_io=

=0.10.43/1510^-9=860(кОм).Выбранный номинал R₄ удовлетворяет этому условию.

Сосчитаем номинал резистора R₈, который служит для снижения величины токовой ошибки:

R₈ = ==9333(Ом).Выберем ближайший номинал из стандартного ряда Е24 9300 2% Ом .

Для того, чтобы на выходе ОУ выделялось максимальное напряжение, необходимо чтобы нагрузка ОУ была больше (или равна) его нагрузочной способности, т.е. для данного ОУ нагрузочная способность R_н = 10(кОм),а входное сопротивления выходного каскада равно R_вхОК = 309.7(Ом), поэтому необходимо ввести R_бал = 10(кОм).

Определим выходной ток I_выхоу3 .

I_выхоу3 = I_н + I_ос = U_выхоу3/Rн +U_выхоу2/R5.Здесь R_н - входное сопротивление оконечного каскада.

I_выхоу3 =27.38/309.7 + 27.38/140000 = 0.0888 (A).

Входное сопротивление предоконечного каскада:

R_вхинв3 = R4 + R_вхоу2R5/ [R_вхоу2(1+K_u2)+R₅],

где K_u2 - коэффициент передачи по напряжению ОУ К1420УД1 без цепи обратной связи,

R_вхоу2 - собственное входное сопротивление ОУ К1420УД1 без цепи обратной связи.

Тогда R_вхинв2 = 10000 + (0.2510⁶140000/[0.2510⁶(1+350)+140000]) = 10398(Ом).

Выходное сопротивление предоконечного каскада:

R_{выхинв2} = R_выхоу2K_оу2/K_u2 = 10014/350 = 4(Ом).

R_вхоу2 - собственное выходное сопротивление ОУ К1420УД1 без цепи обратной связи.

3.4 Расчёт входного каскада

Определим минимальную частоту единичного усиления, которая должна быть у ОУ. f₁=K_оу1f_в = 144000000 = 56(Мгц).Частота f₁ для К1420УД1 равна 110(МГц).Т.е. хватает с запасом.

Учитывая необходимость согласования источника сигнала с ОУ, выберем R₁ == 6.5(кОм),тогда

R2 = R₁(K_оу1 -1)=6.514=78(кОм)

Выберем ближайший номинал из стандартного ряда Е96

R₁ = 6,52%(кОм).

R₂ = 78,72%(кОм).

Входное сопротивление входного каскада:

R_вх1 = R_вхоу1 (1+K_u1 / K_оу1)=6,25(МОм)

где K_u1 - коэффициент передачи по напряжению ОУ К1420УД1 без цепи ОС,

R_вхоу1 - собственное входное сопротивление ОУ К1420УД1 без цепи ОС.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя :

Rвыхинв1 = Rвыхоу1Kоу1/Ku1 = 10014/350= 3,7(Ом).

3.5 Определение номиналов разделительных емкостей

Все разделительные конденсаторы будут давать спад АЧХ только в области низких частот и не будут влиять в области высоких, т.к. в области ВЧ конденсатор будет закорочен.

Так как в схеме 3 разделительных конденсатора, то их ёмкости следует выбрать так, чтобы частотные искажения вносимые всеми тремя ёмкостями не превысили указанные М_нч в техническом задании, т.е. М_нчС1М_нчС2М_нчС3 М_нч.

Выберем М_нчС1=М_нчС2=М_нчС3=1.2, тогда М_нчобщ = 1.041.041.041.04 = 1.17< М_нч.[4]

Рассчитаем номинал C4.

Т.к. ,то _нч =,где _н - нижняя граничная частота усилителя.

Для C4 имеем : _нчC4 == 0,001126(с).

Но так как _нчС4=(R_{выхинв3}+R_вхОК)С₄ ,то С₄=_нчС4 /(R_{выхинв3}+R_вхОК)= = 0,001126/313,7= 3,6(мкФ). Выберем конденсатор с ближайшим номиналом из ряда Е24 C₃=3,8±5%(мкФ) типа К50-35x50В.

Тогда _нчС4 = (R_{выхинв3}+R_вхОК)С₄ = (4+309,7)3,810^-6 = 0,001192(с).Поэтому М_нчС3 = 1.035.

Расчитаем номинал C3.

Т.к. ,то _нч =,где _н - нижняя граничная частота усилителя.

Для C3 имеем : _нчC3 == 0,001126(с).

Но так как _нчС3=(R_{выхинв2}+R_вхОК)С₃ ,то С₃=_нчС3 /(R_{выхинв2}+R_вхОК)= = 0,001126/10402= 0,1(мкФ). Выберем конденсатор с ближайшим номиналом из ряда Е24 C₃=0,1(мкФ) типа К50-35x50В.

Тогда _нчС3 = (R_{выхинв2}+R_вхОК)С₃ = (4+309,7)0,110^-6 = 0.00104(с).Поэтому М_нчС3 = 1.045.

Рассчитаем номинал C2.

Для C2 имеем : _нчC2 == 0,001126 (с).

_нчС2=(R_вых1+ R_вхинв2)С₂ ,

то С₂=_нчС2 /( R_{выхинв1}+R_вхинв2)=0.001126/10400,7= 0,1(мкФ). Выберем конденсатор с ближайшим номиналом из ряда Е24 C₃=0,1(мкФ) типа К50-35x50В.

Тогда _нчС2 = (R_{выхинв1}+ R_вхинв2)С₂ = 10400,70,110^-6 = 0,00104(с). Поэтому М_нчС2 = 1.045.

Рассчитаем номинал C1.

Для C1 имеем : _нчC1 == 0,001126 (с).

_нчС1=(R_г+ R_вх1)С₁ ,то С₁=_нчС1 /( R_г+ R_вх1)=0.001126/17480 =64(нФ). Выберем конденсатор с ближайшим номиналом из ряда Е24 C₁=0,1(мкФ) типа К50-35x50В.

Тогда _нчС1 = (R_г+ R_вхинв1)С₁ = 25071.66510^-6 = 0.02507(с). Поэтому М_нчС1 = 1.005581.

4.Расчёт АЧХ и ФЧХ

4.1 Расчёт АЧХ оконечного каскада

Расчёт ведётся для одной половины оконечного каскада. Определим h-параметры транзистора по входной, выходной ВАХ и справочным данным транзистора.

Тогда r_к* = 1/h_22э = 1/0.0015 = 666.66(Ом) r_э = 2r_k*h_12э = 2666.660.008 = 10.666(Ом) r_б = h_11э - (1+h_21э) r_э = 400 - (1+35) 10.666 = 16.024(Ом)

Расчёт АЧХ оконечного каскада в области средних частот.

Схема замещения на СЧ

Разделительный конденсатор С₃, на средних частотах закорочен, и внутренние ёмкости транзистора так же не отображены,так как на средних частотах их цепи разрываются ввиду очень большого сопротивления.

Коэффициент передачи по напряжению и входное сопротивление на СЧ были определены ранее:

R_вхОК = 724.274(Ом)

K_u0 = 0.9989.

Схема замещения на ВЧ

На высоких частотах заметное влияние уже оказывают внутринние ёмкости транзистора.

Схема

=*(1+h21э) = 23.999(Ом)



.

Тогда

5.Оценка устойчивости схемы

Для оценки устойчивости схемы используем логарифмические характеристики схемы, т.е. ФЧХ и АЧХ.

При анализе устойчивости схем с ОС достаточно оценить устойчивость петлевого усиления. т.е. для устойчивости схемы достаточно иметь случай, когда на частоте единичного усиления усилителя коэффициент усиления по напряжению будет меньше (или в крайнем случае равен) 1,а фазовый сдвиг выходного сигнала по отношению ко входному составит меньше -180.

Также должен быть запас по амплитуде примерно 3 дБ, можно больше.

Для данного усилителя частота единичного усиления составляет f1 = 9.12563(МГц).

Из графика видно, что на частоте f1= 9.12563(МГц) фазовый сдвиг составляет -135,а запас по амплитуде равен 5 дБ. Таким образом делаем вывод, что схема устойчива.

6.Расчет коэффициента гармоник

Расчёт коэффициента гармоник будем вести для оконечного каскада, так как ОУ обладают высокой линейностью на линейном участке своих ВАХ.

Так как операционные усилители - это устройства, обладающие высокой линейностью на линейном участке своих ВАХ, то будем считать,что они вносят пренебрежимо малые нелинейные искажения.

Таким образом расчёт коэффициента гармоник будем вести для оконечного каскада.

Построим сквозную динамическую характеристику транзистора. Для этого для каждой точки пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками найдём значение выходного тока Iвых (в нашем случае это Iк - ток коллектора),а для соответствующих им точек статической входной характеристики транзистора определяем входное напряжение Uвх.Затем для каждой из этих точек вычисляем ЭДС источника сигнала по формуле Еист = Uвх + IвхRист,где Rист - выходное сопротивление предоконечного каскада.

Результаты вычислений сведены в таблицу:

Таблица 1

№	Iвых,мА	Iвх,мА	Uвх,В	Еист,В
1	25	0.2	0.528	0.628
2	116	0.5	0.542	0.792
3	183	1	0.591	0.927
4	256	1.5	0.615	1.047
5	277	2	0.678	1.083



Рис.

В соответствии с методом пяти ординат найдём следующие токи:

I_1m = (I_max - I_min+I₁ - I₂)/3 = (0.277 - 0.025 + 0.256 - 0.116)/3 = 0.1306(A),

I_2m = (I_max + I_min - 2I₀)/4 = (0.277 + 0.025 - 20.183)/4 = 0.0741(A),

I_3m = (I_max - I_min - 2(I₁ - I₂))/6 = (0.277 - 0.025 - 2(0.256 - 0.116))/6 = 0.00366(A),

I_4m = (I_max + I_min - 4(I₁ + I₂)+6I₀)/12 = (0.277 + 0.025 - 4(0.256 + 0.116)+ 60.183)/12 = 0.00733,

I_cp = (I_max + I_min - 2(I₁ + I₂))/6 = (0.277 + 0.025 - 2(0.256 - 0.116))/6 = 0.0613(A).

При этом должно выполняться следующее условие:

I_1m+I_2m+I_3m+I_4m+I_cp = I_max

0.1306 + 0.0741 + 0.00366 + 0.00733 + 0.0613 =0.277(A) - условие выполняется.

Тогда коэффициент гармоник с учётом ООС будет равен: kг = =

Глубина обратной связи F была определена выше.

Получили,что kг = 0.047 % , что удовлетворяет техническому заданию.

7.Расчёт блока питания усилителя

Расчёт источника электропитания для схемы.

Определим суммарный ток входного каскада:

I_0ОУ=P₀/Uпит = 36010^-3/15 = 0.025(А), где P₀ - мощность, протребляемая ОУ в режиме покоя.

U_ПИТ = 15 (В).

Определим переменное напряжение (таблица 1), которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:

где В - коэффициент, зависящий от тока нагрузки.

Таблица 2

Коэффициент	Ток нагрузки
	0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1
В	0,8	1	1,2	1,4	1,5	1,7
С	2,4	2,2	2	1,9	1,8	1,8

Тогда U_IIвхк=0.815=12(В) - напряжение на вторичной обмотке.

По току I_0ОУ определяем максимальный ток через каждый диод выпрямительного моста:

I_Д=0.5СI_0ОУ, где С -- коэффициент, зависящий от тока нагрузки (таблица 1).

I_Д=0.52.40.024=0.0288 (А).

Обратное напряжение, приложенное к каждому диоду выпрямительного моста:

U_ОБР=1,5U_ПИТ=1.515=22.5 (В).

Выбираем диоды VD2-VD5, параметры которых будут превышать либо равны следующим параметрам:

U_ОБР=105(В) ; I_ПР=0,27 (А).

Выберем кремниевый диод КД202Д, для которого U_ОБР=200 (В); I_ПР=5 (А).

Номиналы конденсаторов сглаживающего фильтра С4 и С5 определим по формуле:

где I_{Н max}=I_0ОУ=0,025 (А), f_с = f_ПИТ = 50 ( Гц ), U_ПУЛЬС = (0,050,1)U_ПИТ = 0.75 (В).

Тогда .

Из стандартного ряда Е24 выберем С₅ = С₆=33мкФ2%. Тип К50_1850В.

Расчёт трансформатора источника электропитания

Определим значение тока через вторичную обмотку трансформатора для выходного каскада:

Мощность во вторичной обмотке трансформатора, потребляемая выходным каскадом:

(мВт).

Далее, мощность трансформатора Р_ТР будет складываться из мощностей обеих вторичных обмоток (питание выходного каcкада (Р_{II OK}),питание предоконечного каскада (Р_IIпрк) плюс питание входного и промежуточного каскадоа (Р_{II вхк})), т.е.:

Pтр = 1.25( Р_{II OK} + Р_{II прк} + Р_{II вхк} ).

Рассчитаем мощность Р_{II вхк} и Р_{II прк}. Для этого найдём суммарный ток I₀:

I₀ = I_прк+I_Д + I_Кmax, где

I_прк = P₀/(U_пит +U_ф)= 36010^-3/(15+0.75) = 0.023 (А),

I_д = 0.03(А) - ток через диод выходного каскада,

I_Кmax =0.283(А)- максимальный ток коллектора.

I₀ = 0.023+0.03+0.283 = 0.336(А).

Зададимся падением напряжения U_ф на резисторе R_ф: U_ф= 0.05Епит = 0.75В.

Расчитаем разделительный фильтр R_фC_ф.

Тогда сопротивление R_ф = U_ф /I_прк = 0.75/0.023=32.6 (Ом).Выберем стандартный резистор R_ф = 335% (Ом). Мощность рассеиваемая на R_ф: P_ф=I_прк² R_ф = 0.017(Вт).

(мкФ). Выберем из ряда Е24 конденсатор К50_18250В ёмкостью 10(мкФ).

Далее, определим переменное напряжение во вторичной обмотке U_II0 для питания выходного каскада:

U_II0 =BUпит,где B = 1.1(из таблицы 1).

U_II0 =1.130 = 33(B).

Значение тока через вторичную обмотку I_II0:

I_II0 =1.5 I₀ = 1.50.365 = 0.5475(A).

Потребляемая мощность:

P_II0 = U_II0I_II0 = 33 0.5475 = 18(Вт)

Тогда суммарная мощность:

Pтр = 1.25( Р_{II OK} + Р_{II ПРК} + Р_{II ВХК} )= 1.25( 18+ 0.432) = 18,63(Вт).

Значение тока в первичной обмотке трансформатора:

где U_I -- напряжение первичной обмотки.

Необходимая площадь сечения сердечника магнитопровода:

Число витков во вторичной обмотке:

для питания входного и предоконечного каскадов:

Примем

для питания выходного каскада:

Примем

Число витков в первичной (сетевой) обмотке:

Примем

Диаметр проводов обмоток трансформатора:

где

I -- соответствующий ток, d -- диаметр провода в мм.

Для первичной обмотки I_I=0,2112(А):

Выберем ближайший стандартный диаметр провода ПЭЛ 0,3(мм).

Для вторичной обмотки I_IIвхык=0.4775 (А).

Выберем ближайший стандартный диаметр провода ПЭЛ 0.5(мм).

Для вторичной обмотки I_II0=0.024(А).

Выберем ближайший стандартный диаметр провода ПЭЛ 0,1 (мм).

Выберем ближайший стандартный Ш-образный магнитопровод ШЛМ2525 с Р=57(ВА) (Р_РАСЧ=53,2(ВА)).

Далее рассчитаем выпрямительный мост и сглаживающий фильтр для выходного каскада. Максимальный ток через каждый диод:

Обратное напряжение, приложенное к каждому диоду:

Выбираем VD6-VD9 типа КД202А, для которых:

U_ОБР=50В; I_ПР=5А.

Выбор конденсаторов сглаживающего фильтра С6 и С7:

Из ряда Е24 выбираем С6=С7=32%(мФ). Тип К50-650В.

Т.к. значение тока в первичной обмотке I_I=0,2112(А) и напряжение U_I=110В выбираем предохранитель типа ВП1-1-1А-250В и микропереключатель типа ПТ8-1, предназначенный для коммутации цепей постоянного тока до 4А с напряжением до 30В и переменного тока до 3А с напряжением до 250В.

Заключение

Работа над курсовым проектом является важным этапом в плане подготовки студента к самостоятельной производственной и научной деятельности по любому инженерно-техническому курсу. Во время работы над курсовым проектом студент значительно расширяет свой кругозор и проявляет себя с творческой стороны.

В процессе выполнения курсового проекта освоил методы анализа и синтеза электронного устройства заданного типа на базе аналоговых микросхем и дискретных элементов, реализующие заданные в техническом задании параметры. Синтезировал структурную и принципиальную схему широкополосного усилителя в соответствии с заданием, рассчитал блок питания, элементы принципиальной схемы, построил переходные процессы и характеристики.

Параметры разработанного усилителя полностью соответствуют техническому заданию (табл.6).

Табл. 6.

Параметр	Техническое задание	Разработанная схема
	500 Гц	4 Гц
	4 МГц	6 МГц
	0.05%	0.047 %
	10 Вт	10.02 Вт
	27 В	27,38 В
	0,365 А	0,366 А
	0 оС	-10 оС
	+50 оС	+80 оС

Таким образом, все параметры усилителя, определённые техническим заданием, выдерживаются и даже превосходят в значениях.

Приложение А

Напряжение статической ошибки усилителя наОУ К1420УД1 :

U_выхош1 = U_см(1+|K_оу1|) = 10^-4(1+100) = 0.0101(В).

U_выхош2 = U_см(1+|K_оу2|) + U_выхош1 K_оу2 = 10^-4(1+100) + 0,14= 0.141(В).

U_выхош3 = U_см(1+|K_оу3|) + U_выхош2 K_оу3 = 10^-4(1+100) + 1,82= 1,821(В).

Напряжение статической ошибки ,приведенная ко входу:

U_ош = U_выхош3 / K_{оу общ} =1,821/2300=0,7(мВ).

Рис.

Получается, что ошибка приведенная ко входу много меньше входного сигнала, что удовлетворяет поставленной задаче.

Размещено на Allbest.ru