Проектирование устройств электронной техники

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Брянский Государственный Технический Университет

Кафедра «Автоматизированный электропривод»

Курсовой проект

По дисциплине

«Электронные цепи и микросхемотехника»

Брянск 2007

Содержание

Введение

1. Разработка однокаскадного малосигнального УНЧ

2. Синтез преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя

3. Разработка комбинационного логического устройства

4. Разработка источника питания для УНЧ

Заключение

Список литературы

Введение

Курсовой проект является одним из этапов изучения дисциплины «Электрические цепи и микросхемотехника» и имеет своей целью приобретение навыков проектирования четырех устройств электронной техники: транзисторного каскада усилителя низкой частоты, фильтра низкой частоты на основе операционного усилителя, комбинационно-логического устройства и транзисторного стабилизатора постоянного напряжения.

Данный проект предусматривает возможность практического применения знаний, полученных на лекциях и в процессе самостоятельной подготовки электроники с использованием освоенных пакетов прикладных программ. При выполнении курсового проекта необходимо решить ряд задач, тематика которых отражает основные разделы изучаемой дисциплины.

1. Разработка однокаскадного малосигнального УНЧ

Исходные данные:

Параметры источника сигнала:

Uвх= -10…10мВ

fвх = 0.1…1кГц

Ri= 5кОм,

Сопротивление нагрузки: Rн =1 кОм

Коэффициент усиления напряжения: KU = 100

Значение сопротивления источника сигнала (Ri= 5кОм) позволяет применить в качестве УНЧ биполярный транзистор соединённый по схеме с общим эмиттером. Но при моделировании достичь заданного коэффициента не удалось (макс KU=11). Дополнив схему эмиттерным повторителем удалось получить заданный коэффициент усиления.

Выполним расчёт элементов выбранной схемы:

Предположим, что транзисторы VT1 и VT2 находятся в активном режиме:



Определим максимальный ток в нагрузке, которое определяется отношением максимального напряжения в нагрузке к величине сопротивления нагрузки:

Напряжение на коллекторе равно половине напряжения питания:

Ток коллектора для каскада с транзистором VT2 будет равен отношению напряжения коллектора к величине резистора R7:

Коэффициент усиления по напряжению для постоянного тока равен:

Ku=R7/R8

Это отношение приблизительно равно от 2 до 10 и выбираем его так, что Ku=5 => R8=180 Ом

Рассчитаем смещение на базу. Для этого примем ток эмиттера приблизительно равным току коллектора транзистора VT2:

Iэ=Iк

Определим токи базы транзистора VT1 и ток делителя этого же транзистора.

Ток базы будет определяться отношением тока коллектора к коэффициенту передачи

Тогда ток базы равен:

Где h21э для нашего транзистора равен 300 => Iб=2.7мА

Определим ток через резисторы R5 и R6. Этот ток будет больше тока базы в (2…10)раз, ток через делитель равен:

Теперь можем определить сопротивление R6:

Величину сопротивлении R5 определим из отношения напряжения база питание к току делителя, где напряжение база питание найдем из формулы:

Uбп= 15-Uб=13В

Для переменного сигнала найдем величины сопротивление и :емкость конденсатора С4:

Мы знаем, что коэффициент усиления равен:

R7/(R8//Rc3)=Ku

От сюда найдем сопротивление конденсатора С3:

Rc3=0.01 Om

Тогда емкость конденсатора будет равна:

Rc3=1/(wc) => с3=1/(2П*f*Rc3) f=0.1kГц

с3=200 мкФ

Для того, что бы получить необходимый коэффициент усиления входное сопротивление велико. Преобразуем его с помощью эмиттерного повторителя до необходимого нам входного сопротивления 50 Oм, потому что именно при этом сопротивлении можно получить необходимый коэффициент усиления по напряжению.

Для транзистора VT1 напряжение на эмиттере будет равно половине напряжения питания:

Uэ=7.5V

Что бы получить выходное сопротивление повторителя равным 50 Oм выбираем сопротивление R4=100 Oм. Следовательно ток эмиттера будет равен

Iэ=Uэ/R4=75мA

Примем ток эмиттера приблизительно равным току коллектора для транзистора VT1:

Iэ=Iк

Тогда аналогично, как и для каскада с транзистором VT2 произведем расчет тока базы и тока через делитель для каскада с транзистором VT1:

Ток базы равен отношению тока коллектора к коэффициенту передачи. Так как в обоих каскадах транзисторы выбраны одинаково, то коэффициенты передачи равны, и следовательно ток базы равен:

Ток через резисторы R3 и R2 следовательно будет равен в (2…10) больше тока базы:

Теперь можем определить сопротивления R2 и R3

Для переменного сигнала определим сопротивление конденсатора с1 и его емкость:

Rc1=0.1Ri

Где Rвх(унч)- сопротивление входа каскада с транзистором VT1, которое определяется:

R'вх(унч)=(R2//R3//(Rбэ+R4))в=2.7 кOм

Тогда сопротивление и емкость конденсатора с1 будут равны:

Rc1=27Ом

Полное входное сопротивление каскада с транзистором VT1 будет иметь вид:

Rвх(унч)= R'вх(унч)+Rc1= 2.97 кOм

Сопротивление выхода полное определим из формулы:

Rвых(унч)=R7/2+Rc4

Rc4- сопротивление конденсатора с4, которое равно:

Rc4=0.1Rвых(унч)

Находим Rвых и подставляем в уравнение сопротивления конденсатора с4.

R'вых(унч)=R7/2=455 Oм

Получаем:

Rc4=45.5Ом и следовательно Rвых(унч)=500Ом

Rc4=1/(wc4)

f=0.1kГц

Для нахождения сопротивления и емкости конденсатора с2 примем ошибку создаваемую Rc2 не более 1дБ:

20logUb/Ui=-1дБ

Ui/Uб=0.122

Rc2=1/(wc) Rc2=0.122Ri=0.635 Om

С2=200мкФ

Входное сопротивление для каскада с транзистором VT2 найдем из формулы:

Ri=(R5//R6//(Rbe+R8//Rc3))(h21э+1)=50 Ом

По рассчитанным параметрам и выбранным элементам составим модель УНЧ(рис.1.2) в системе OrCAD и произведём моделирование.

Рис 1.2

Рис 1.3 Зависимость входного и выходного сигнала Uвх и Uвых от t



Рис. 1.5 Зависимость входного сигнала Uвх от времени t

Рис 1.6 Зависимость выходного сигнала Uвых от времени t



Рис.1.7 ЛАЧХ УНЧ

2. Синтез преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя

Исходные данные:

Функция, реализуемая преобразователем:

Параметры преобразователя:

входное сопротивление, не менее: 100кОм

максимальное сопротивление нагрузки: 2кОм

Параметры входного сигнала

амплитуда:-0.5…0.5 В

частота 1…50Гц

Разложим заданную функцию:

В итоге мы получили функцию которую можно реализовать на операционных усилителях, а в частности с помощью дифференциатора (0.1p), интегратора (2p) и умножителя (2). Соединяем их параллельно и на выходе ставим сумматор.

Схема будет иметь следующий вид (рис.2.1):

Рис. 2.1

Рассчитаем элементы схемы.

Для этого разберем интегратор, дифференциатор и умножитель каждый в отдельности.

В общем виде схема интегратора выглядит следующим образом рис 2.2:

Рис 2.2 Интегратор

Интегратор построен на основе операционного усилителя, в обратную связь которого включен конденсатор. Произведем расчет элементов интегратора для нашего случая рис 2.3:

Рис. 2.3

Для нахождения сопротивления R2 определим максимальное напряжение выхода Uвых.макс и максимальный ток в нагрузке. Тогда R2 будет равно:

где Iмакс=

Максимальное выходное напряжение определим, как напряжение входа умноженное на коэффициент усиления операционного усилителя, который найдем по ЛАЧХ.

Коэффициент усиления К определим из ЛАЧХ , К=2

R2=5кОМ

Сопротивление R1 = Rвх = 100 кОм

Емкость конденсатора определим из формулы частоты среза:

fo=1/(2 R1C2)

Тогда С2=1/(2 R1 fo)=100нФа

Моделируем в системе Or cad рис 2.4:

Рис.2.4 Входное и выходное напряжение интегратора

В общем виде схема дифференциатора выглядит следующим образом рис 2.5:

Рис.2.5 Диференциатор

Произведем расчет. В нашем случае дифференциатор должен иметь смещение по фазе на выходе и ослабление сигнала в 10 раз. Схема имеет следующий вид (рис 2.6):

Рис. 2.6

Расчет дифференциатора произведем аналогично, как и для интегратора.

Определим R2 из отношения максимального напряжения и тока в нагрузке.

где Iмакс=

К=2

R2=5кОм

Сопротивление R1 принимаем равным сопротивлению входа. R1=100кОм

Емкость определим из формулы частоты среза:

fo=1/(2 R3C1)

Тогда С1=1/(2 R3 fo)=1нФа

Моделируем в системе Or cad рис 2.7:

Рис 2.7

Расчет умножителя произведем аналогично предыдущим:

Рис 2.8

Где Iмакс=

К=2

R3=5кОм

R1=Rвх=100кОм

Сопротивление R2 определим из формулы коэффициента усиления:

К=Rвх/R2

R2=200кОм

Рис 2.9

Произведем расчет сумматора, его схема представлена на рис.2.10

Рис 2.10

Сопротивления R1, R2, R3 из расчитанных ранее элементов интегратора, дифференциатора и умножителя. Что бы определить сопротивление R4 воспользуемся формулой:

1/R1+1/R2+1/R3=R4

R4=1.6кОМ

R2 =Rн=2кОм Дано нам по заданию.

Смоделируем в системе Or Cad всю конструкцию рис 2.12:

рис. 2.12

Рис2.13 Зависимость входного Uвх и выходногоUвых сигнала от времени t

Рис 2.14 ЛАЧХ

3. Разработка комбинационного логического устройства (КЛУ)

транзисторный усилитель стабилизатор преобразователь

КЛУ реализует управление объектом с помощью логического сигнала Y. Состоянию объекта соответствуют входные комбинации, заданные в шестнадцатеричном коде:

- включено при 1, 5, B, C;

- выключено при 0, 3, A, D, E.

Переведём шестнадцатеричный код в двоичный и осуществим переход от таблицы истинности к алгебраической форме выражения с использованием совершенной дизъюнктивной нормальной формы(СДНФ) (таблица 1).

Таблица 1

HEX	X4	X3	X2	X1	mi	Y
1	0	0	0	1		1
5	0	1	0	1
B	1	0	1	1
C	1	1	0	0
0	0	0	0	0		0
3	0	0	1	1
A	1	0	1	0
D	1	1	0	1
E	1	1	1	0

Для решения задачи минимизации логической функции применим метод карт Карно. Составим карту Карно для заданной таблицы истинности (таблица 1),

Из таблицы истинности получим карту Карно:

По полученной карте Карно составим логическую функцию Y:



По полученному выражению для Y составим схему КЛУ (рис.3.1), используя логические элементы серии КР1533

1533 74ALS ТТЛШ

Рис.3.1 Модель КЛУ в OrCAD

Определим частоту генератора:

Для серии К1533 tзадержки=4нс/лэ. В данной схеме Уtзадержки=30нс/лэ. Значит при частоте генератора 100нс в КЛУ завершиться переходной процесс, а также его можно будет наблюдать

По выбранным элементам составим модель преобразователя в системе OrCAD(рис.3.4) и произведём моделирование. Результатом моделирования является диаграмма логических состояний (рис.3.3), подтверждающая адекватность синтезаКЛУ.

Рис.3.2 Диаграмма логических состояний КЛУ

Определим потребляемый ток: I = P/Uпит = 2мВт/лэ/5В = 0.4мА

Допустимая нестабильность источника напряженная 5%

Рис.3.2 Диаграмма логических состояний КЛУ (максимальная задержка=8нс)

4 Расчёт стабилизатора напряжения

Техническое задание: рассчитать транзисторный стабилизатор постоянного напряжения. Выходное напряжение 15В1%В. Диапазон изменения тока нагрузки 10…100 мА. Входное переменное напряжение 220 10%В. Допустимый уровень пульсаций выходного напряжения 70 мВ.

Выбор принципиальной схемы стабилизатора

Обеспечение заданной температурной стабильности требует применения качественного стабилитрона (например, Д814Д) и дифференциальной схемы сравнения. Схема рассчитываемого стабилизатора приведена на рисунке 4.1.

Рис. 4.1. Компенсационный стабилизатор напряжения.

Определение исходных данных для расчёта

Коэффициент стабилизации

Выходное сопротивление

Ом

Минимальное значение входного напряжения

В

Номинальное значение входного напряжения

В

Мощность, потребляемая стабилизатором

Вт

Полезная мощность в нагрузке

Вт

Коэффициент полезного действия

или

Выбор регулирующего элемента

А

В

Вт

Выбираем транзистор BD135-16 (Uкэ=45 В, Iк=1,5 А, Rпк=10 К/Вт, >100)

Необходимая поверхность пластинчатого радиатора

см2

Ток базы транзистора VT1

мА

Сопротивление резистора R1

кОм

Принимаем

мА

мА

Выбор источника опорного напряжения

В качестве источника опорного напряжения выбираем стабилитрон типа Д814Д (Uсm=13,3 В, Icm=10 мА, Pст_max=340мВт). Тогда

Ом

Ток делителя R4R5 задаем тоже 10мА. Тогда R4=R2=170Ом, R5=13,3/10=1,33кОм.

Выбираем транзистор VT3 ВС337-40 (Uкэ.доп=45 В, Iк.доп=500 мА, Pк.доп=500 мВт, >250). Транзистор VT2 берём такой же.

кОм

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем 1,2 кОм

Рассчитаем мощность резисторов:

мВт

мВт

мВт

Вт

Резистор R5 возьмём мощностью 0,25 Вт, резисторы R1-R4 возьмём мощностью 0,125 Вт.

Расчет выпрямителя и фильтра.

Коэффициент пульсаций

Пренебрегая активным сопротивлением обмоток трансформатора получаем:

Переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора

В

Коэффициент трансформации

Выбор конденсатора фильтра

мкФ

Выбор диодов выпрямителя. Средний ток через диод

А

Максимальное обратное напряжение на диоде равно входному напряжению стабилизатора 20,8 В. Выбираем диоды КД103A cо следующими параметрами: Iмакс=0,1А, Uобр=50В, fмакс=4кГц.



Рис.4.2. Входное напряжение стабилизатора при сетевом напряжении 220В.

Рис.4.3. Выходное напряжение стабилизатора при сетевом напряжении 220В.

Рис.4.4. Входное напряжение стабилизатора при сетевом напряжении 198В.

Рис.4.5. Выходное напряжение стабилизатора при сетевом напряжении 198В.

Рис.4.6. Входное напряжение стабилизатора при сетевом напряжении 242В.

Рис.4.7. Выходное напряжение стабилизатора при сетевом напряжении 242В.

Рис.4.8. Выходное напряжение стабилизатора при разных температурах.

Рис.4.9. Модель источника питания в среде OrCAD 9.1.

Заключение

В ходе курсового проектирования в соответствии с заданием были синтезированы следующие аналоговые и цифровые электронные устройства: однокаскадный УНЧ, преобразователь аналоговых сигналов на ОУ, КЛУ на логических элементах серии ТТЛ КР155 и стабилизированный источник питания для каскада УНЧ. Особенностью разработанного каскада УНЧ является применение динамической нагрузки для обеспечения заданного коэффициента усиления по напряжению. Аналоговый преобразователь корректно реализует заданную функцию, о чём можно судить по ошибке не превосходящей 3%. Количество корпусов спроектированного КЛУ минимизировано до одного. Ёмкость конденсатора фильтра в источнике питания велика, но необходима для обеспечения заданного уровня пульсаций выходного напряжения при расчетном коэффициенте стабилизации. Коэффициент стабилизации примененного компенсационного стабилизатора последовательного типа можно существенно увеличить, применяя в качестве усилителя сигнала ошибки операционный усилитель.

Список литературы

Электронные цепи и микросхемотехника: Учебник/ Ю.А. Быстров, И.Г. Мироненко.- М.: Высш.шк., 2002г.

П. Хоровиц, У.Хилл Искусство схемотехники: Перевод с английского под ред. д.т.н М.В.Гальперина- М.; Мир, 1986

М.Х.Джонс. Электроника - практический курс. Перевод с английского Е.В.Воронова, А.Л.Ларина- М.: Постмаркет 1999

В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев Электроника - М.: Высшая школа, 1991.

Справочная книга радиолюбителя-конструктора. А.А.Бокуняев, Н.М.Борисов, и др.- М.: Радио и связь, 1990.

Полупроводниковая схемотехника У. Титце, К. Шенк : Москва «Мир» 1983

Размещено на Allbest.ru