Расчёт усилителя постоянного тока

Дальневосточный государственный технический университет

(ДВПИ имени  В.В. Куйбышева)

 

 

 

 

 

 

 

«Расчёт усилителя постоянного  тока»

пояснительная записка  к курсовой работе

по дисциплине «Схемотехника»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Выполнил:

        студент группы Р-8011

           Стеценко Г.А.    

 

         Принял:

                                       Преподаватель

         Шамшин В.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Владивосток

2011

 

Содержание

 

1. Введение-------------------------------------------------------------------------------------------------3

2. Исходные данные--------------------------------------------------------------------------------------5

3. Расчёт электрической принципиальной схемы-------------------------------------------------6

3.1. Расчёт оконечного дифференциального каскада---------------------------------------------6

3.2. Расчет каскада предварительного усиления на операционном усилителе (DA3)-----11

3.3. Расчет каскада предварительного усиления на операционном усилителе (DA2)-----13

3.4. Расчет входного каскада на операционном усилителе (DA1) ----------------------------15

4. Заключение---------------------------------------------------------------------------------------------17

5. Список используемой литературы ----------------------------------------------------------------18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

 

Усилительные устройства находят  применение в самых различных  областях науки, техники и производства, являясь либо самостоятельными, либо частью сложных приборов и схем.

Техника усиления электрических сигналов непрерывно развивается. Это связано в первую очередь с развитием и совершенствованием радиоэлектроники и технологии, разработкой  новых усилительных устройств.

При развитии линейных интегральных микросхем (ИМС) значительно расширились возможности усилительных устройств, но в то же время не утратили актуальность и многие проблемы проектирования усилителей на дискретных элементах, в которых в качестве усилительных элементов используют транзистор. Умение проектировать на таких элементах позволяет решать многие схемотехнические задачи, в частности те, которые возникают при проектировании самих ИМС.

Любое усилительное устройство характеризуется рядом  параметров. К основным показателям  относятся: коэффициент усиления, амплитудночастотная и фазочастотная характеристики, переходная характеристика, коэффициент нелинейных искажений, уровень помех, чувствительность, стабильность, входное и выходное сопротивление.

В первую очередь  усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению (току, мощности): Ku=Uвых/Uвх (Ki=Iвых/Iвх, Kp=Pвых/Pвх).

Коэффициенты  усиления выражают либо в безразмерных единицах (разах), либо в относительных (дБ): Ku(дБ)=20lg*Ku, Ki(дБ)=20lg*Ki, Kp(дБ)=10lg*Kp.

Для характеристики усилительных свойств чаще используют коэффициент усиления по напряжение в комплексной форме, так как в нагрузке усилителя имеются реактивные элементы, и коэффициент усиления зависит от частоты.

Ko – номинальный коэффициент усиления (коэффициент в области частот, где он практически постоянен).

 

Частотные свойства усилителя отображаются  АЧХ и ФЧХ усилителя. Первая из них представляет собой зависимость  коэффициента усиления от частоты. Для  анализа часто используют нормированную  характеристику: M(f)=K(f)/Ko. В идеальном случае М(f)=1.

Для каждой конкретной частоты значение М является мерой частотных искажений. Также используется понятие спад частотной характеристики ε(f)=1-M(f).

 

 

           В  выходном напряжении наряду с  основной составляющей сигнал также присутствует составляющая помехи. Уровень помех на выходе не должен превышать некоторой доли выходного сигнала уровня. Основные помехи – фон и шумы. Уменьшение фона достигается за счет сглаживания питающего напряжения, использование отрицательной обратной связи (ООС), рациональной конструкции и монтажа устройства.

        

При проектировании и эксплуатации П. т. у. особое внимание уделяют уменьшению медленных изменений (дрейфа) выходного  напряжения или тока в отсутствие входного сигнала, которые обусловлены рядом неконтролируемых факторов: старением элементов усилителя, колебаниями температуры окружающей среды и напряжения электропитания и др.

            Различают П. т. у. прямого усиления и с преобразованием по частоте. Особенность П. т. у. прямого усиления — отсутствие в цепях связи между усилительными каскадами реактивных элементов (конденсаторов, трансформаторов). В таких П. т. у., исторически более ранних, проблема дрейфа решается непосредственным уменьшением его в каждом из каскадов усилителя и прежде всего — во входном. С этой целью используют дифференциальные каскады, в которых минимизация разностного дрейфа на выходе достигается тщательным симметрированием обоих плеч.      

                                                                                                   Рис.2.

Увеличние нагрузочной способности  и повышение линейности ДК(рис2) и его симметрии с помощью введения резисторов Rэ:

Верхнее значение Rэ определяется требуемым усилением напряжения Ku=Rк/Rэ, дрейфом нулевого потенциала.

В данной курсовой работе в качестве входного и промежуточного каскадов используются каскады на операционных усилителе (3 штуки).

В качестве выходного каскада целесообразно  использовать дифференциальный каскад в режиме дифференциального усиления, т.к. он обеспечивает наилучшую связь  с нагрузкой. Дифференциальный усилительный каскад имеет два входа и усиливает разность напряжений, приложенных к ним.

Дифференциальный каскад состоит  из двух транзисторов, эмиттеры которых соединены и подключены к общему резистору R_э. Каскад  абсолютно симметричен, т.е. сопротивление резисторов, входящих в каждое плечо, и параметры транзисторов одинаковы. В этом случае при равных входных сигналах токи транзисторов равны между собой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Исходные данные

 

-выходное напряжение Uвых=±15* N1 =±45 В;

-сопротивление нагрузки Rн=1* N2=4 КОм;

-диапазон усиливаемых частот  fв=1* N2=4 МГц;

-ЭДС источника сигнала Ег=2* N2=8 мВ;

-сопротивление источника сигнала  Rг=10* N2=40 Ком;

-рабочая температура Тр=50 градусов.

 

Примечание:

N1=3; N2=4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчёт электрической принципиальной схемы.

 

В данной курсовой работе в качестве входного и промежуточного каскадов используются каскады на операционных усилителе (3 штуки).

В качестве выходного каскада целесообразно  использовать дифференциальный каскад в режиме дифференциального усиления, т.к. он обеспечивает наилучшую связь  с нагрузкой. Дифференциальный усилительный каскад имеет два входа и усиливает  разность напряжений, приложенных к ним.

Дифференциальный каскад состоит  из двух транзисторов, эмиттеры которых  соединены и подключены к общему резистору R_э. Каскад  абсолютно симметричен, т.е. сопротивление резисторов, входящих в каждое плечо, и параметры транзисторов одинаковы. В этом случае при равных входных сигналах токи транзисторов равны между собой.

 

3.1 Расчёт выходного дифференциального каскада.

Вычислю общий (сквозной) коэффициент усиления для схемы:

В качестве входного каскада используется ОУ с сигналом, подаваемым на неинвертирующий вход.

 

 

Дифференциальный каскад:

 

                                    

Рис.3. дифференциальный каскад.

 

 

Данный каскад удобен тем, что он симметричен и нам необходимо рассчитать только одно плечо. Задамся коэффициентом усиления каскада К₀=13.

При выборе транзистора необходимо учитывать, чтобы он удовлетворял следующим  параметрам:

 

1) В

2) МГц

     Где

3) Р_кдоп ≥ (3-4) Р_m;

      мВт

       Р_кдоп≥1530 мВт;

4) , тогда  

5)

 

В качестве VT2 и VT3 выбираю транзисторы КТ618A (N-P-N) со следующими параметрами:

 

H_21эmin=30;    H_21эmax=200;     F_пред=350МГц;   R_вхоэ=400 Ом;

U_кэдоп=300 В;   I_кдоп=0.2 А;      I_бдоп=50 мкА;     Р_кдоп=2.5 Вт; 

С_к=7 пФ;      С_э=27 пФ.

 

Найдём Н₁₁ (входное сопротивление) этого транзистора :

 

Ом

 

Ом

Рассчитаю крутизну усиления транзисторов:

;    см

 

 

 

 

 

Рассчитаю F_b и F_в и сравню их:

МГц;

MГц

F_b > F_в - удовлетворяет частотным условиям.

 

Выберу напряжение питания исходя из следующего условия:

Е₀=120 В

Напряжение в рабочей точке:

U_ко=0,5Е₀=60 В – при таком положении рабочей точки сигнал амплитудой в 45 В искажаться не будет.

 

Задам коэффициентом усиления каскада К₀=13, выберу из номинального ряда добавочные сопротивления R₁₃, R₁₅ равные 1 Ом, тогда коэффициент усиления каскада с учётом местной обратной связи будет равен:

, где 

В итоге коэффициент усиления дифференциального  каскада будет равен:

 

Вычислю приведённое сопротивление в цепи коллектора:

Ом

Найду сопротивление цепи коллектора R₉ и R₁₃:

Ом

Выберу из номинального ряда R₁₂ = R₁₆ = 1000 Ом

 

Рассчитаю ток коллектора в рабочей точке:

мА  - ток в рабочей точке.

  - амплитудное значение тока.

В сумме они не должны превысить  значение, допустимое для транзистора:

- не превышает.

 

Рассчитаю значение сопротивления R₁₁ в цепи эмиттера:

Ом

Выберу из номинального ряда сопротивлений R₁₄=200 Ом

 

Найду входное напряжение дифференциального каскада:

 В                                                               мкА

 

 

3.2. Расчет каскада предварительного усиления на операционном усилителе (DA3)

Рис.5. каскад на ОУ

Из предыдущего расчета:

В

И надо бы рассчитать примерный требуемый  коэффициент усиления наших ОУ (пусть  он будет одинаковый у обоих):

Ks=K1*K2*K3*K4=K1*(K2)²

(K2)² =Ks/(K1)=5625/(12.4)=456

K3=K4=22

 

Задам коэффициент усиления К₀=22

При таком К0 операционный усилитель  не удовлетворяет условию 

Придется уменьшить К0, разбив его  на большее число ОУ, трех хватит:

Ks=K1*K2*K3*K4=K1*(K2)³

(K2)³ = 455 => K2=K3=K4=7,7   - вроде подходит

 

Выбираемый ОУ DA3 должен удовлетворять следующим условиям:

 

1) МГц , где

2)

 

Выбираю операционный усилитель 1433УД1:

 U_вых=8 В;    F_t=100 МГц;      E_см=5 мВ;    Е_п=±15 В;    I_доп=25 мА  =15 мкА

 

Выберу резисторы R₈ и R₉, для получения необходимого коэффициента усиления, (учитывая использование неинвертирующего включения) исходя из требований следущего каскада (Rн=389.8 Ом, Uвых=3,66 В, К0=7,7)

 

    

 

 

 

 

R8 = 24.6 Ом

R9=218.94 Ом – слишком маленькие значения. Умножу R7 на 100 (имею право, коэффициент усиления останется прежним, главное не выйти на предельный режим ОУ – близкое к допустимому напряжение и за ним), и тогда получу:

 

R8 = 2,46 кОм и R9=2460*6.9=17 кОм

 

Выбираю из номинального ряда сопротивлений R₉=18 кОм, R₈=2,4 кОм

Тогда

 

Входное напряжение каскада должно быть равно:

мВ

 

Введу R₅, R₆ для компенсации смещения «0» в ОУ._. Зададимся током Io=20 мА, и взяв из фазоинверсного значения S=0.4, R_пр,8 =243 Ом, I_k1=13 мA рассчитаем:

U_вхо=U_см                       

 

 

 

 

 

Тогда

 

Выбираю из номинального ряда сопротивлений R₆=180 Ом, R₇=100 Ом

Найду входное сопротивление каскада:

Ом

Проверю, выполняется ли условие пригодности операционного усилителя по частоте:

      МГц

4 МГц < 12,65 МГц, условие выполняется.

 

 

3.4. Расчет каскада  предварительного усиления на  операционном усилителе (DA2)

      Рис.6. каскад на  ОУ

 

Задаю коэффициент усиления К₀=7,9

 

Выбираемый ОУ DA2 должен удовлетворять следующим условиям:

 

1) МГц

     Где

2)

 

 

Выбираю операционный усилитель 1433УД1:

U_вых=8 В;    F_t=100 МГц;      E_см=5 мВ;    Е_п=±15 В;    I_доп=25 мА

 

Зная требуемое напряжение на выходе данного каскада и напряжение источника сигнала, рассчитаю требуемый коэффициент усиления данного каскада:

Выберу резисторы R₄ и R₅, для получения необходимого коэффициента усиления, исходя из условия: