Универсальный генератор

Характеристика свойств и принципов действия усилителей низкой частоты на биполярных транзисторах. Основные методики проектирования и расчета генераторов колебаний прямоугольной формы с управляемой частотой следования импульсов. Эскиз источника питания.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 20.12.2008
Размер файла 56,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н. Э. БАУМАНА

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР.

Расчетная часть работы

по курсу "Основы электроники"

Цель работы: изучение свойств и принципов действия усилителей низкой частоты на биполярных транзисторах, изучение методики проектирования и расчета генераторов колебаний прямоугольной формы с управляемой частотой следования импульсов.

Задание:

Обозначение

Значение

Мощность, рассеиваемая на нагрузке, Вт.

15

Сопротивление нагрузки, Ом.

5

Нижняя частота, Гц.

fmin

10

Верхняя частота, кГц.

fmax

10

Амплитуда напряжения на входе оконечного каскада, В.

Uвх ОК

2

Обоснование структурной схемы.

Для генерирования прямоугольных импульсов, частота следования которых регулируется с помощью аналогового сигнала, можно выбрать схему функционального генератора с управляемой частотой выходного сигнала. Структурная схема приведена на черт.1.

Для возбуждения колебаний используется коммутатор (повторитель напряжения, знак которого зависит от состояния транзистора ) и триггер Шмидта ( компаратор с положительной обратной связью ).

Для формирования временных интервалов используется интегратор.

Диф.каскад вводится, так как нижняя частота полосы пропускания равна 0.3 Гц, (смотри ниже) и можно говорить, что выходной усилитель - усилитель постоянного тока (УПТ). Из чего следует, что если использовать на входе выходного усилителя просто емкость, то ее величина будет составлять порядка сотен микрофарад или единиц миллифарад, а это достаточно большие величины.

Оконечный каскад будет выполняться в виде двухтактного каскада, так как нагрузка по заданию низкоомна. При правильном подборе режима работы, применение последнего, позволит повысить КПД и понизить нелинейные искажения на выходе усилителя.

Для "раскачивания" двухтактного усилителя и согласования используется предварительный усилитель ОЭ, управляющий входным током транзисторов.

ГСТ используются для стабилизации токов ОЭ и Диф.каскада.

Для значительного уменьшения нелинейных искажений на выходе генератора, используется ООС. Расчётная часть

Генератор колебаний прямоугольной формы с регулируемой частотой следования. Частота следования определяется аналоговым сигналом.

Выбираем ОУ. Т.к. мы имеем маломощный генератор, то

Umax вых ОУ = ±10-12 В, а т.к. сигнал меняется в пределах 3-х порядков по частоте, то Umin вых ОУ = ±10-12 В, следовательно eсм < 10 мВ

Желательно, чтобы скорость нарастания импульса была больше, а зависимость eсм от Т меньше. Данным параметрам удовлетворяет ОУ К154УД2

Uвых = ±10В, Rн = 2 кОм, С = 3ё10 нФ, V = 75 В/мкс, Кeсм = 20 мкВ/K

2. Стабилитрон - элемент включаемый в схему для стабилизации Uвых при скачках Eп. U стабилизации равно U триггера Шмидта => мы выбираем КС182A, у которого Uст = 8,2 В

3. R7 UR7 - Uст = 10-8,2 = 1,8 B, R7 = UR7 / IОУ = 1,8В/5мА = 360 Ом

4. R5 - резистор, необходимый для падения на нём части сигнала при открытом диоде VD1 для предохранения от перегрева полевого транзистора (для того, чтобы привести последний в закрытое состояние требуется малый сигнал)

R5 = (Uст - Uд)/0,2ЧIm = 7,5 кОм

5. Диод VD1 - необходим для отсечки отрицательного полупериода сигнала, получаемого с триггера Шмидта, для приведения полевого транзистора в открытое состояние (ключ замкнут)

Д220: Im = 5мА, U = 50В - удовлетворяет нашим условиям.

Расчёт интегратора:

IR = IC = 0,8ЧImax = 4мА ,

R6 = Umax/IR =10В/4мА = 2,5кОм ,

С1 = Umax/4ЧUстЧFmaxЧR6 = 6нФ.

Расчёт инвертирующего усилителя:

Iвых = 5 мА. Необходимо, чтобы большая часть сигнала пошла на интегратор IR4 = 1мА; Iинтеграт. = 4 мА,

R1 = R4 = Uвых/IR4 = 10В/1мА = 10 кОм.

Для уменьшения помех, создаваемых усилителем, R2 = R3 = R1||R4 =

= 10кОм/2 =5 кОм.

Расчёт делителя напряжения:

Rвх ок = 4,3 кОм,

Uвх ок = 2 В,

Uвых дел = IделЧR8 = UстабЧR8/(R8+R9) = Uвх ок = 2 В,

R8 + R9 Ј Rвх ок Ј 4,3 кОм,

8,2ЧR9/(R8+R9) = 2В

R8+R9 = 4,3 кОм , откуда R8 = 3,25 кОм,

R9 = 1,05 кОм.

II. Эскиз источника питания.

Нам необходимо получить два равных по величине и симметричных относительно земли напряжения: положительное и отрицательное. Мы используем для этого наиболее очевидную схему - мостовой выпрямитель. Благодаря соединению среднего вывода вторичной обмотки трансформатора с общей шиной у нас в любой полупериод входного напряжения на противоположных концах выходной обмотки имеется положительное и отрицательное напряжения. Благодаря емкостям осуществляется двуполупериодное выпрямление выходного напряжения трансформатора.

III. Расчёт оконечного каскада, обеспечивающего усиление сигнала по мощности.

Определяем рабочий диапазон оконечного каскада:

fmin = 10 Гц Tmax = 0,1 c

fmax= 10-4 Гц Tmin= 10-4c

На вход подаются прямоугольные импульсы

а) На верхних частотах:

OK эквивалентен

Uвых(t) = UmЧ(1 - e-tимп/t)

tфр = 2,3Чt , t - постоянная времени схемы,

tимп.мин = 1/2ЧTmin = 1/(2Чfmax) = 1/(2Ч104) = 5Ч10-5 c,

обычно считают tфр = 0,1Чtимп min = 5Ч10--6 с (наша цель - сделать как можно меньше tфр), а так как tвч = tфр/2,3 , то fвч = 2,3/ tфрЧ2p =

= 73кГц

б) На нижних частотах:

OK эквивалентен

Uвых(t) = UmЧe-tимп/t

d = D/Um = 0,1 (наша цель - сделать как можно меньше D),

Um - D = UmЧe-tимп/t, следовательно 1 - d = e-tимп/t ,

tнч = tимп/d, tнч = tимп/0,1, tимп = 1/2ЧTmax = 1/(2Чfmin) = 1/(2Ч10) = 0,05c, tнч = 0,05/0,1 = Ѕ c, следовательно fнч = 0,3 Гц,

считаем fнч = 0.

fпред ( > 5Чfвч ) = 400 кГц , fгран = h21ЭЧ fпред = 50Ч400кГц = 20 Мгц

Определимся с режимами работы транзисторов. Для транзисторов VT1 и VT2 лучше использовать режимы работы класса АВ. Это немного снизит энергетические показатели работы транзисторов, но зато приведет к значительному уменьшению нелинейных искажений на выходе. Для остальных транзисторов выберем режим А.

Расчёт параметров транзисторов эмиттерного повторителя (VT1 и

VT2).

Потребляемая мощность Pпотр = ImЧ?; ????????, ???????????? ????????? ?= ImЧm; 2Чm p???.= P????- P?; P'm p??= 0, ????????????? E?= 2Um, Pm p??? =.

Так как Rн = 5 Ом, а Pн= 15 Вт, то амплитудные значения сигнала на нагрузке:

Um н=В, Im н = Um н/Rн= 9/5 = 1,8 А,

а необходимое напряжение питания:

Eп= Uкэ+ Um н= 2 + 9 = 11 В.

Требуемый коэффициент усиления КU== 9/2 = 4,5 ,

а мощность, рассеиваемая на коллекторе одного транзистора:

Рm pасс »0,1Ч= 0,1Ч112/5 = 2,42 ??.

Исходя из полученных данных, выбираем транзисторы, так чтобы

PKmax > Pm расс = 2,42 Вт, IKmax > Im н= 1,8 А, UКЭ0max > 2ЧEп = 22 В,

а fгр/h21Э > 5Чfвч = 400 кГц :

VT1

VT2

марка транзистора

КТ850Б

КТ851Б

тип транзистора

p-n-p

n-p-n

IKmax - постоянный ток коллектора, А

2

2

UKЭ0max- постоянное напряжение кол.-эм. (Iб=0), В

45

45

PKmax- постоянная рассеиваемая мощность коллектора, Вт

2,5

2,5

статич. коэф-т передачи тока в схеме с ОЭ h21, минимальное значение

65

65

fгр граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц

20

20

Найдем ток баз транзисторов (максимальный входной ток) и входное напряжение каждого транзистора оконечного каскада:

IБ max = IKmax/h21Э = Im н/ h21Э = 1,8/65 = 0,028А, UБ max » Um н = 9 В,

входное сопротивление оконечного каскада:

Rвх ОК = (h21Э + 1)ЧRн = 66Ч5 = 330 Ом.

Расчёт транзистора усилителя с ОЭ (VT3).

Транзистор VT3 работает в режиме А (однотактный).

Так как Rвых ГСТ2 >> Rвх ОК , то

= 28 мА (Im ГСТ2= 0). Тогда

пусть = 30 мА - постоянная соста-

вляющая тока коллектора VT3.

Очевидно, что от выбора IК0 зависит мощность, рассеиваемая на транзисторе VT3. Поэтому для того чтобы поставить маломощный транзистор, желательно IК0 снизить.

Считая UKЭ0 » Eп = 11 В, находим Pm расс = IK0ЧUKЭ0 = 0,03Ч11 =0,33Вт,

исходя из полученных данных, выбираем транзисторы, так чтобы

PKmax > Pm расс = 0,33 Вт, IKmax > IКЭ m= 0,028 + 0,030 =58 мА,

UКЭ0max > 2ЧEп = 22 В, а fгр/h21Э > 5Чfвч = 400 кГц :

VT3

марка транзистора

КТ604БМ

тип транзистора

n-p-n

IKmax - постоянный ток коллектора, А

0,2

UKЭ0max- постоянное напряжение кол.-эм. (Iб=0), В

250

PKmax- постоянная рассеиваемая мощность коллектора, Вт

3

статич. коэф-т передачи тока в схеме с ОЭ h21, минимальное значение

30

fгрграничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц

40

Рассчитаем коэффициент усиления VT3:

KU = Uвых/Uвх = = =30Ч330/(150 + 13) = 88

Рассчитаем максимальный входной ток VT3:

IБ m = IКЭ m/h21Э = 0,058/30 = 1,9 мА

Расчёт генератора стабильного тока (ГСТ2).

ГСТ является активной нагрузкой для каскада ОЭ. Он нам необходим для поддержки на входе оконечного каскада постоянного сигнала. Обыкновенный резистор не годится, так как при этом возникает смещении потенциала, и в выходной цепи возникнет нестабильность, приводящая к искажениям сигнала. Поэтому в качестве ГСТ мы будем использовать транзистор VT4 в схеме ОБ.

Мощность, рассеиваемая на VT4:

Pm pacc = IK0 VT4ЧUK0 VT4 = IK0 VT3ЧEп = 0,03Ч11 = = 0,33Вт, исходя из полученных данных, выбираем транзисторы так,

что PKmax > Pm расс = 0,33 Вт,

IKmax > IКЭ m= 0,028 + 0,030 =58 мА,

UКЭ0max > 2ЧEп = 22 В,

а fгр/h21Э > 5Чfвч = 400 кГц :

VT4

марка транзистора

КТ941А

тип транзистора

p-n-p

IKmax - постоянный ток коллектора, А

0,3

UKЭ0max- постоянное напряжение кол.-эм. (Iб=0), В

30

PKmax- постоянная рассеиваемая мощность коллектора, Вт

4

статич. коэф-т передачи тока в схеме с ОЭ h21, минимальное значение

20

fгр граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц

300

Определяем значения сопротивлений R18, R19, R20:

для улучшения характеристик ГСТ используем отрицательную обратную связь по току,

поставив RЭ = R20 = UR20/IК0 VT4 = 1/0,058 » 20 Ом,

где UR20 = Eп - (Um н + UБЭ VT1 + UKЭ VT4) = 11 - (9 + 0,7 + 0,3) = 1 В.

Расчёт делителя:

IБ0 VT4 = IК/h21Э = 0,058/20 = 2,9 мА, Iдел і (5…10)ЧIБ0 VT4 = 20 мА,

R18 = (UR20 + UБЭ VT4)/Iдел = (1 + 0,7)/0,02 » 100 Ом

R19 = (Еп - UR18)/Iдел = (11 - 1200Ч0,0015)/0,02 » 500 Ом

Выполним проверку: Rвых ГСТ2= , где

RБ = R18ЧR19/(R18 + R19) = 100Ч500/(100+500) = 85 Ом,

h11Э = rБ + (h21Э + 1)Чrэ = 100 + (20 + 1)Ч0,44 = 53,3 Ом, где rЭ = jт/IК0 VT4 =

= 0,026/0,058 = 0,44 Ом, h22Э = 1/rКЭ = 10-4, подставляем:

Rвых ГСТ2 = 104Ч(85 + 53,3 + 21Ч20)/(85 + 53,3 + 20) = 35 кОм,

т.е. Rвых ГСТ2 >> Rвх ОК и мы можем пренебречь пульсацией тока на выходе DI = Um н/ Rвых ГСТ2 = 11/35000 = 0,3 мА.

5. Расчет дифференциального каскада.

Положим, IЭ m дифф= IК m VT5,6> (5ё)Ч? mVT3= 15 ??,

IК0 VT5,6 = IК m VT5,6 + 0,05ЧIК m VT5,VT6 = 16 мА;

R13 = IБЭ VT3/ I К0 VT5,6 = 0,7/0,016 » 50 Ом

Расчитаем транзисторы для данного каскада.

Р m расс = IК0ЧUК0 = 0,016Ч11 = 0.176 Вт. Теперь мы

можем подобрать транзисторы VT5 и VT6 так, чтобы

PKmax > P m расс = 0,176 Вт,

IKmax > IК m VT5,6 + IК0 VT5,6 = 0,015 + 0,016 = 31 мА,

UКЭ0max > Eп = 22 В,

а fгр/h21Э > 5Чfвч = 400 кГц :

VT5, VT6

марка транзистора

КТ107Б

тип транзистора

p-n-p

IKmax - постоянный ток коллектора, мА

100

UKЭ0max- постоянное напряжение кол.-эм. (Iб=0), В

45

PKmax- постоянная рассеиваемая мощность коллектора, Вт

0,3

статич. коэф-т передачи тока в схеме с ОЭ h21, минимальное значение

120

fгр граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц

200

Определим ток эмиттера транзисторов IБ = IК/h21Э , то есть IЭ = (h21 +

+ 1)ЧIБ = (h21 + 1)ЧIК/ h21 » IК0 VT5,6 = 16 мА. Постоянная составляющая

IЭ VT5 = IК VT5 = 5ЧIБ VT3 = 5Ч0,0015 = 7,5 мА, при этом выходной ток ГСТ1

IК ГСТ1 = 2ЧIЭ VT5,6 = 2Ч0,0075 = 15 мА, мощность, рассеиваемая на VT7

Ррасс m = IK0ЧUK0 = 0.015Ч11=0.165 Вт.

Исходя из полученных данных, выбираем VT7 так,

что PKmax > 2ЧPm расс VT5,6 = 0,352 Вт,

IKmax > 2ЧIК0 VT7 = 32 мА,

UКЭ0max > Eп = 11 В:

VT7

марка транзистора

П504

тип транзистора

p-n-p

IKmax - постоянный ток коллектора, мА

500

UKЭ0max- постоянное напряжение кол.-эм. (Iб=0), В

45

PKmax- постоянная рассеиваемая мощность коллектора, Вт

0,4

статич. коэф-т передачи тока в схеме с ОЭ h21, минимальное значение

10

fгр граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц

10

Определим значения резисторов R10, RЧ11, R14. Дабы повысить

сопротивление ГСТ1, падение напряжения на R14 полагаем

UR14 = 0,8 В;

IЭ VT7 = IБ VT7 + IК VT7; IБ VT7 = IК VT7/h21Э, то есть IЭ VT7 = IК VT7 » 0,015 А;

R14 = UR5/IЭ VT7 = 0,5/0,016 = 31,25 Ом, полагаем 35 Ом.

IБ VT7 = 0,015/10 = 1,5 мА; Iдел ГСТ1 = 10ЧIБ VT7 = 15 мА;

R10 = (UR14 +UБЭ VT7)/Iдел = (0,8 + 35Ч0,015)/0,015 » 88,3 Ом,

выбираем R10 = 100 Ом;

R11 = (Еп - UR10)/Iдел = (11 - 100Ч0,015)/0,015 » 633 Ом,

выбираем R11 = 650 Ом.

Проверим Rвых ГСТ1 = (RБ + h11Э + (h21Э + 1)ЧRЭ/ h22ЭЧ(RБ + h11Э + RЭ), где RБ = R10ЧR11/(R10 + R11) = 87 Ом; h11Э = rБ + (h21Э +1)ЧrЭ = 100 + (10 + 1)Ч Ч0,026/0,015 = 120 Ом, h22Э = 10-4, тогда Rвых ГСТ1 = 104Ч(87 + 120 + 81Ч Ч35)/(87 + 120 + 35) = 126 кОм, что нам и было нужно.

Найдем R12. Для согласования каскадов возьмем R12 >> rвх VT5 ;

r вх VT5 = rБ VT5 + rЭ VT5Чh21Э VT5 = rБ VT5 + (0,026/IЭ VT5)Чh21Э VT5 = 100 +

+ (0,026/0,015)Ч81 = 240 Ом. Положим R12 = 10 кОм

6. Расчет диодов организующих смещение транзисторов ЭП

Диоды, позволяющие работать эмиттерному повторителю в режиме класса В, можно выбрать по единственному параметру - протекающему току:

IД = 35 мА, выбираем УД413В

7. Расчет системы отрицательной обратной связи

Необходимый коэфф-т усиления выходного каскада КU = Uвых/Uвх =

= 9/2 = 4,5. Но нам известно, что если общий коэффициент усиления много больше требуемого, то коэффициент усиления равен глубине обратной связи: КU = K/(1 + bЧK) » 1/b = 4.5, то есть b = 0,22, где b - коэффициент передачи обратной связи. Определим КU дифференциального каскада:

КU дифф = Uвых/Uвх = IKЧRKN/(IБЧrвх) = bЧRKN/(rБ + rЭЧ(1+b)) » RKN/rЭ ,

RKN= R13Чrвх каск ОЭ/(R13 + rвх каск ОЭ),

rвх каск ОЭ = rБ каск ОЭ + (h21Э VT3 + 1)ЧrЭ каск ОЭ = 100 + 0,026Ч30/0,03 = 126 Ом, RКН = 50Ч126/(50+126) = 35,8 Ом,

rЭ VT5,6 = 0,026/0,016 = 1,6 Ом

KU дифф = 35,8/1,6 = 22,4

КU = KU диффЧКU ОЭ = 22,4Ч88 = 1971 >> 4.5, видно, что общий коэффициент усиления много больше требуемого. Тогда для резисторов R17 и R16 получаем систему b = R16/(R17 + R16), R16 <rвх ДифКаск , R16 + R17 >>Rн . Выбрав R16 =65 Ом, получим R17 = R16/b - R16 = 65/0,22 - 65 =230 Ом. Данные значения сопротивлений удовлетворяют всем условиям.


Подобные документы

  • Основные параметры усилителей низкой частоты. Усилитель электрических сигналов - устройство, обеспечивающее увеличение амплитуды тока и напряжения. Дифференциальный коэффициент усиления. Особенности схемотехники интегральных усилителей низкой частоты.

    лекция [621,3 K], добавлен 29.11.2010

  • Виды транзисторных усилителей, основные задачи проектирования транзисторных усилителей, применяемые при анализе схем обозначения и соглашения. Статические характеристики, дифференциальные параметры транзисторов и усилителей, обратные связи в усилителях.

    реферат [185,2 K], добавлен 01.04.2010

  • Условия возникновения генерации синусоидальных сигналов. Обзор генераторов гармонических колебаний. Схема моста Вина. Формулы расчета элементов генераторов. Разработка RC-генератора с фазовращателем на операционном усилителе с частотой генерации 2 кГц.

    курсовая работа [144,8 K], добавлен 21.10.2014

  • Мультивибратор как релаксационный генератор электрических колебаний прямоугольного типа с крутыми фронтами. Исследование генератора импульсов на двух транзисторах. Нахождение емкости конденсатора. Форма сигнала мультивибратора. Расчет частоты генератора.

    лабораторная работа [186,3 K], добавлен 06.03.2015

  • Расчет усилителя мощности, выходной цепи согласования, предусилительного каскада. Преобразователь синусоидального сигнала в импульсы прямоугольной формы. Кварцевый генератор и делитель частоты. Методика и принципы проектирования схемы индикации, питания.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 17.07.2014

  • Генератор импульсов треугольной формы. Расчет и выбор элементов параметрического стабилитрона. Повторитель напряжения. Схема, внешний вид и характеристики микросхемы К140УД20. Структурная схема источника питания. Напряжение на обмотке трансформатора.

    дипломная работа [296,1 K], добавлен 15.05.2013

  • Преобразование энергии источника постоянного тока в энергию электрических колебаний при помощи релаксационных генераторов. Устройство автоколебательного мультивибратора на дискретных компонентах. Выбор структурной схемы генератора прямоугольных импульсов.

    курсовая работа [1,4 M], добавлен 14.06.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.