Четыре устройства электронной техники: транзисторный каскад усилителя низкой частоты, преобразователь аналоговых сигналов на базе операционного усилителя, комбинационно-логическое устройство и стабилизированный источник питания для каскада УНЧ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

“Электронные цепи и микросхемотехника”

Четыре устройства электронной техники: транзисторный каскад усилителя низкой частоты, преобразователь аналоговых сигналов на базе операционного усилителя, комбинационно-логическое устройство и стабилизированный источник питания для каскада УНЧ

ВВЕДЕНИЕ

Курсовая работа является одним из этапов изучения дисциплины «Электронные цепи и микросхемотехника» и имеет своей целью приобретение навыков расчета параметров элементов электрических схем.

Данная работа предусматривает возможность практического применения знаний, полученных на лекциях и в результате самостоятельной подготовки. При выполнении курсовой работы необходимо решить ряд задач, тематика которых отражает основные разделы изучаемой дисциплины.

В первой части необходимо разработать усилитель низкочастотного сигнала с заданным коэффициентом усиления. Во второй части произвести синтез ФВЧ на базе операционных усилителе. В третьей части курсовой работы разработать логическое устройство, предварительно составив таблицу истинности и карту Карно. В последней четвертой части требуется разработать блок питания под усилительный каскад.



Разработка малосигнального УНЧ

Исходные данные:

Uвх	Fвх	Ri	Rн	Uп	Ku
(-10...+10)мВ	1кГц	5k	1k	---	100

где Uвх- входное напряжение, fвх -частота сигнала входного источника , Ri - сопротивление источника, Rн - сопротивление нагрузки, Uп - напряжение источника питания, KU -Коэффициент усиления по напряжению.

Анализируя требования данного задания можно прийти к выводу, что задание может быть выполнено с помощью широкого разнообразия схемотехнических решений. Одним из наилучших решений является использование двух каскадов с общим эмиттером (рис.1.1) и одного каскада с общим коллектором (рис 1.2.).

Рассчитаем параметры для каждого каскада в отдельности

Расчеты для второго каскада с общим эмитером:

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

Пусть напряжение питания .

Напряжение на коллекторе равно половине напряжения питания:

Ток коллектора для каскада будет равен отношению напряжения коллектора к величине резистора Rk

Так как требуется обеспечить коэффициент усиления по напряжению. равен 100, то выберем для одного каскада Коэффициент усиления по напряжению с припуском равен:

Сопротивление резистора Rэ высчитываем по формуле

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

По выходным характеристикам транзистора находим h21э

По входным характеристикам находим напряжение бэ и h11э

Определим ток через резисторы делителя R1 и R2. Этот ток будет больше тока базы в (5…10)раз, ток через делитель равен:

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

Теперь можем определить сопротивление R2:

Величину сопротивлении R1 определим из отношения напряжения база-питание к току делителя, где напряжение база-питание найдем из формулы:

Найдем входное сопротивление третьего каскада:

Найдем емкости С1 и С2:

Найдем экспериментальным путем входное сопротивление, для этого уберем входное сопротивление, и измерим ток на С2 и входное напряжение:

Практический и экспериментальный методы показали, что мы правильно нашли входное сопротивление.

Найдем экспериментальным путем выходное сопротивление, для этого измерим напряжение на нагрузке на холостом ходу:

Моделирование Каскада в OrCad-e

Uвх(t)макс=10мВ

Uвых(t)макс=92,4мВ

Следовательно, коэффициент усиления третьего каскада равен

Uвх(t)макс=10мВ

Uвых(t)макс=11,6мВ

Следовательно, коэффициент усиления третьего каскада без учета входного сопротивления равен

Расчеты для первого каскада с общим эмиттером:

Пусть напряжение питания .

Напряжение на коллекторе равно половине напряжения питания:

Ток коллектора для каскада будет равен отношению напряжения коллектора к величине резистора Rk

Так как требуется обеспечить коэффициент усиления по напряжению. равен 100, то выберем для одного каскада Коэффициент усиления по напряжению с припуском равен:

Сопротивление резистора Rэ высчитываем по формуле

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

По выходным характеристикам транзистора находим h21э

По входным характеристикам находим напряжение бэ и h11э

Определим ток через резисторы делителя R1 и R2. Этот ток будет больше тока базы в (5…10)раз, ток через делитель равен:

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

Теперь можем определить сопротивление R2:

Величину сопротивлении R1 определим из отношения напряжения база-питание к току делителя, где напряжение база-питание найдем из формулы:

Найдем входное сопротивление третьего каскада:

Найдем емкости С1 и С2:

Найдем экспериментальным путем входное сопротивление, для этого уберем входное сопротивление, и измерим ток на С1 и входное напряжение:

Практический и экспериментальный методы показали, что мы правильно нашли входное сопротивление.

Найдем экспериментальным путем выходное сопротивление, для этого измерим напряжение на нагрузке на холостом ходу:

Моделирование Каскада в OrCad-e

Следовательно, коэффициент усиления второго каскада равен

Следовательно, коэффициент усиления второго каскада без учета сопротивления источника равен

Как мы видим все входное напряжение падает на высокоомном сопротивлении источника, поэтому для согласования высокоомного сопротивления источника с низкоомным сопротивлением нагрузки, на вход ставим каскад с общим коллектором

Расчеты для каскада с общим коллектором

Так как у нас на входе большое сопротивление то мы добавляем каскад с общим коллектором, который позволит нам получить на выходе маленькое сопротивление

Сопротивление эмиттера равно

По входным и выходным характеристикам определяем:

Далее рассчитываем :

Находим сопротивления на делителе напряжений:

Считаем емкости С1 и С2:

Далее моделируем В Оркаде Схему каскада с общим коллектором, и находим коэффициент усиления в данном каскаде:

Uвх(t)макс=10мВ

Uвых(t)макс=8.4мВ

Следовательно коэффициент усиления первого каскада равен

Влияние, оказываемое сопротивление источника каскада:

Построив и рассчитав три усилительных каскада, строим общую схему усиления и находим коэффициент усиления:

Для того чтобы схему можно было реализовать практически, берем номиналы сопротивлений из ряда Е24:

Следовательно, коэффициент усиления всей схемы равен

Коэффициент усиления по току равен:

Так как схема комплементарного усилителя имеет кондесаторы, то на низких частотах присутствует подъем ЛАЧХ. Заметим, что в рабочих частотах входного источника схема выдает практически равномерное усиление.

Судя по графику, данная модель имеет высокую термостабильность. Выходной сигнал изменяется со скоростью -0.2mB/K

Судя по графику можно сказать о том, что выходной сигнал имеет незначительное число высших гармоник

Определим амплитуды высших гармоник и найдем коэффициент гармоник

Определим мощности, рассеиваемые на резисторах, узнав токи в статическом режиме при помощи Orcad 9.1



Мощность выходного сигнала

Так как потребляемый от источника питания ток Iи является пульсирующим током с амплитудой Iкm, его среднее значение

.

Мощность, потребляемая от источника питания .

КПД каскада

Синтез преобразователя аналоговых сигналов на базе операционного усилителя

усилитель низкочастотный сигнал аналоговый

Исходные данные:

1. Функция, реализуемая преобразователем:

2. Параметры преобразователя:

входное сопротивление, не менее: 200 кОм

минимальное сопротивление нагрузки: 10 Ом

3. Параметры входного сигнала

амплитуда: -1…1 В

частота: 0…5 Гц

По условию необходимо реализовать функцию

,

следовательно, для синтеза преобразователя необходимы: неинвертирующее устройство на ОУ с коэффициентом усиления 5, дифференцирующее устройство на ОУ с постоянной времени дифференцирования и сумматор на ОУ. В следствии того, что дифференциатор на операционном усилителе инвертирует сигнал, то для получения требуемой функции преобразователя используем вычитатель, который позволит вычесть инвертированный сигнал с дифферинциатора, поданный на минус ОУ, то есть сложит неинвертированный сигнал с входным, что и требуется по заданию. В соответствии с заданием входное сопротивление преобразователя , минимальное сопротивление нагрузки . Требуемые параметры преобразователя не накладывают особых ограничений на применяемые ОУ, поэтому выберем ОУ LM675.

Схема синтезированного аналогового преобразователя представлена на рис.2.1.

Неинвертирующий усилитель реализован на элементах DA1, Rд1, R11.

Коэффициент усиления равен 5. Так как Rд1=500кОм, то R11:

Так же включим в цепь операционного усилителя сопротивление смещения, которое определяется опытным путем:

Дифференциатор реализован на элементах DA2, Rд2, R12, C12. Постоянная времени дифференцирования определяется как

Примем R12=500кОм и определим С12:

.

Демпфирующий резистор Rд2 выберем много меньше R12, Rд2=5 kОм.

Вычитатель выполнен на DA3, R13, R3, R4, R5. Примем R13=R3=R4=R5=100кОм.

Рассчитаем необходимое напряжение питания, исходя из того, что Uвыхmax при подаче на вход синусоидального напряжения с частотой f=5 Гц и амплитудой 1В, на выходе будет напряжение:

Uвыхmax=3,14В. C учётом области насыщения ОУ выберем напряжение питания Uп=±30В.

По рассчитанным параметрам и выбранным элементам составим модель преобразователя в системе OrCAD и произведём моделирование:

Сопоставим полученный в среде OrCad график с полученным в Matlab-е:

Далее рассмотрим каждую элемент преобразователя и сравним графики полученные в среде OrCad и Matlab:

Модель Инвертирующего Дифференциатора на операционном усилителе

Входной и Выходной сигналы при подаче на вход пилообразного сигнала реализованный в Matlab-е

По результатам полученных графиков можно убедиться, что полученное устройство адекватно преобразует сигнал в требуемый.



Разработка комбинационно-логического устройства (КЛУ)

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

- включено при 7,9,E,F

- выключено при 2,3,B,D

Порядок выполнения расчета

Составляем таблицу истинности для заданной функции (таблица 3.1).

Составляем карту Карно (таблица 3.2).

Для полученной карты Карно составляем логическую функцию и осуществляем ее минимизацию:

Полученная функция реализуется на 3 элементах 2И-НЕ и 1 элементе 3И-НЕ т.е. реализовать КЛУ на одной ИС серии 1561 невозможно. Выбираем ИС К155ЛА3 4(2И-НЕ) и ИС К155ЛА4 3(3И-НЕ).

Составляем по минимизированной логической функции принципиальную электрическую схему.

Мы видим, что выходная функция Y модели КЛУ соответствует заданной.

Разработка источника питания для УНЧ

Техническое задание: рассчитать транзисторный стабилизатор постоянного напряжения. Выходное напряжение 10В1%В. Ток нагрузки 3 мА. Входное переменное напряжение 220 10%В. Допустимый уровень пульсаций выходного напряжения 70 мВ, Коэффициент температуры по напряжению 0.5mВ/К.

Выбор принципиальной схемы стабилизатора

Для получения высокой температурной стабильности в схеме стабилизатора должен присутствовать высококачественный стабилитрон (например 1N4372). Схема рассчитываемого стабилизатора приведена на рисунке 4.1.

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 BC847A (Uкэ=45 В, Iк=0.1 А, =250)

Ток базы транзистора VT1

мА

Сопротивление резистора R1

Ом

Из стандартного ряда сопротивлений E24 выбираем 600 Ом

А

А

Выбор источника опорного напряжения

В качестве источника опорного напряжения выбираем стабилитрон типа 1N5225 (Uсm=3 В, Icm=20 мА). Тогда

Ом

Выберем из ряда Е24 R2= 360 Ом

Примем ток делителя равным току стабилизации Iст = 20 мА, а так же сопротивление R2= R4

Выбираем транзистор VT3 аналогичный VT1 и VT2

Ом

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем 160Ом

Рассчитаем мощность резисторов:

мВт

мВт

мВт

Вт

Резисторы R1-R5 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

мФ

Согласно ряду E24

Выбор диодов выпрямителя. Средний ток через диод

А

Максимальное обратное напряжение на диоде равно входному напряжению стабилизатора 16.75 В. Выбираем диоды 1N4148 cо следующими параметрами: Iмакс=0.1А, Uобр=50В.

Судя по полученному графику схема обладает температурной стабильностью 0.37мВ/К

Так как для питания УНЧ нужны два сигнала по 5В, противоположные по знаку, то для питания УНЧ будет использоваться 2 источника питания. Второй будет аналогичен по схеме за исключением того, что транзисторы VT1 и VT3 будут заменены на аналогичные с PNP-структурой



Заключение

В курсовом проекте спроектировано четыре устройства электронной техники: транзисторный каскад усилителя низкой частоты, преобразователь аналоговых сигналов на базе операционного усилителя, комбинационно-логическое устройство и стабилизированный источник питания для каскада УНЧ. Данный проект позволил получить навыки использования пакетов прикладных программ и расчета простейших устройств электронной техники.

Транзисторный каскад представляет комплементарный эмиттерный повторитель, работающий в режиме АВ и имеющий КПД 66%.

Преобразователь аналоговых сигналов на базе операционного усилителя построен на дифференциаторе и сумматоре и адекватно преобразует сигнал в соответствии с заданием. Для связи низкоомной нагрузки с преобразователем использован комплементарный эмиттерный повторитель.

Количество корпусов спроектированного КЛУ минимизировано до двух.

В СН получена температурная стабильность 0.37мВ/К и коэффициент пульсаций выходного напряжения не превышает заданных 80мВ.



Использованная литература

1. Электронные цепи и микросхемотехника: Учебник/ Ю.А. Быстров, И.Г. Мироненко.- М.: Высш.шк., 2012г.

2.П. Хоровиц, У.Хилл Искусство схемотехники: Перевод с английского под ред. д.т.н М.В.Гальперина- М.; Мир, 2014

3.Интегральная электроника в измерительных устройствах/ Гутников В.С.. - Л.: Энергоатомиздат, 2008. - 304 с.

4.В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев Электроника - М.: Высшая школа, 2012.

5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12_е изд.- М.: ДМК Пресс, 2010. - 832 с.

6.Р. Корис, Х. Шмидт-Вальтер. Справочник Инженера-схемотехника -М.:Техносфера, 2011

Размещено на Allbest.ru