Николенко И.Н., Букарос А.Ю. Электроника и микросхемотехника. Пособие для самостоятельной работы и выполнению курсового проекта - файл n1.doc

приобрести
Николенко И.Н., Букарос А.Ю. Электроника и микросхемотехника. Пособие для самостоятельной работы и выполнению курсового проекта
скачать (860.3 kb.)
Доступные файлы (3):
n1.doc932kb.01.01.2002 04:17скачать
n2.doc1006kb.01.01.2002 01:37скачать
n3.doc40kb.29.11.2010 17:57скачать

n1.doc

  1   2   3   4


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХОЛОДА

Институт энергетики и экологии

Николенко И.Н. , Букарос А.Ю.
ЭЛЕКТРОНИКА и МИКРОСХЕМОТЕХНИКА

Пособие для самостоятельной работы

и выполнению курсового проэкта


Одесса – 2010
Николенко И.Н., Букарос А.Ю.Электроника и микросхемотехника.:Пособие к курсовому проектированию с дисциплины .Одесская государственная академия холода, 2010-40с.
Дисциплина”Электроника и микросхемотехника” есть нормативно професионально-ориентированым курсом. Цель курса – ознакомление студентов и приобритения ими навыков в расчёте интегрированных (диференцированных) устройств.

Пособие для самостоятельной работы и выполнения курсового проэкта предназначено для студентов по направлению подготовки”Автоматизация и компьютерно – интегрированные технологии”.

Рецензент: доцент кафедры электропривода ОНПУ, к.т.н. Чайковский В.П.
Заведующий кафедры электротехники и

электронных устройств Байдак Ю.В.

Предсидатель научно-методической комисии,

по направлению подготовки”Автоматизация

и компьютерно – интегрированные технологии”. Буданов В.А.

ОГАХ

2

ВВЕДЕНИЕ
Аналоговая и цифровая электроника представляет собой бурно развивающуюся область науки и техники. Она возникла на базе промышленной электроники. Электроника изучает принципы работы электронных устройств и позволяет синтезировать электронные схемы не только различных аналоговых и цифровых электронных устройств, приборов, компьютеров, но и вычислительных устройств и систем. Значительное место в устройствах электронной техники занимают электронные усилители. Качественные показатели усилительных устройств непрерывно улучшаются в результате использования современных технологий и новой элементной базы. Например, построение на базе интегральных микросхем (ИМС) различных усилительных, интегрирующих, дифференцирующих, логарифмических устройств, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей позволяет повысить их точностные характеристики не только в различных областях электронной, но и вычислительной техники. Для усиления мощных электрических сигналов разрабатываются также электронные усилители мощности, которые выполняются не только с использованием ИМС, но и на дискретных усилительных элементах – транзисторах.

В методических рекомендациях к курсовому проекту приводится методика расчёта интегрирующих и дифференцирующих устройств, которые работают на низкоомную нагрузку.

В курсовом проекте необходимо:

- выполнить расчёт интегрирующего (дифференцирующего) устройства, реализованного на базе ИМС с усилителем мощности, последний выполнен на биполярных транзисторах;

- провести графо-аналитический расчёт выходного каскада усилителя мощности.




3

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ



Разработать одно из устройств: первое состоит из интегрирующего усилителя реализованного на ОУ с усилителем мощности; второе – состоит из дифференцирующего усилителя реализованного на ОУ с усилителем мощности. Провести графо-аналитический расчет выходного каскада - усилителя мощности, реализованного на биполярных транзисторах.

Исходные данные:

Содержание расчетно-пояснительной записки


  1. Введение.

  2. Теоретическая часть.

  3. Расчетная часть.

  4. Заключение .

  5. Список основной использованной литературы.

  6. Приложения.

Перечень графического материала


  1. Схема электрическая принципиальная интегрирующего или диффееренцирующего электронного устройства с перечнем элементов.

  2. Провести (выполнить) графо-аналитический расчет выходного каскада - усилителя мощности. 4

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ



1.1 Основные схемы включения операционных усилителей
Рассмотрим некоторые виды операционных усилителей (ОУ), которые часто используются в линейных электрических схемах. Линейными считаются схемы, в которых входной и выходной сигналы связаны линейным оператором. Примерами таких схемотехнических решений могут выступать: аналоговые интеграторы, дифференциаторы, преобразователи ток напряжение, стабилизаторы напряжения, инвертирующий и неинвертирующий усилители [1,2,3,4].
1.1.1 Инвертирующий операционный усилитель
На рис. 1.1 приведена схема инвертирующего усилителя, в котором ОУ DA1 охвачен параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. Выход цепи ООС включён на инвертирующий вход ОУ. Коэффициент передачи связи такой цепи



где Rвх.д – дифференциальное входное сопротивление ОУ; К – статический коэффициент усиления ОУ; Zoc, Z1 – импедансы (полные сопротивления) соответственно цепи обратной связи и входной цепи.

На практике используют упрощенную формулу для расчета коэффициента передачи (усиления) ОУ охваченного цепью ООС при Zос = Rос



5

Импеданс балансного резистора Z1 можно рассчитать как параллельное соединение резисторов R1 и Rос:



Полное входное сопротивление схемы (в точках приложения напряжения U1)

Zвх.св = Z1 + ZосRвх.д (Zос + KRвх.д)

Выходное сопротивление схемы



Zвых.св = Rвых.д / (1 + KZ1Zос)

Простейшей схемой, использования ОУ в инвертирующем включении является повторитель входного сигнала (напряжения) со сдвигом фазы, равным  радиан, при R1 = Rос = R.

При этом Kсв = 1; Zвх = R (1+K-1)  R; Zвых = Rвых (1+K)-1.

1.1.2 Инвертирующий сумматор

Разновидностью инвертирующего ОУ является сумматор (рис. 1.2). Сумматор позволяет получать на выходе суммарное напряжение пропорциональное приложенным входным напряжениям. Через элемент цепи обратной связи Zос протекает суммарный ток, поэтому выходное напряжение при Zi = Ri



6



Рисунок 1.1 - Схема электрическая принципиальная инвертирующего усилителя реализованного на ОУ

Рисунок 1.2 - Схема электрическая принципиальная сумматора реализованнного на ОУ





Рисунок 1.3 - Схема электрическая принципиальная неинвертирующего усилителя реализованного на ОУ


7

При выборе величин сопротивлений резисторов, задающих коэффициент усиления (передачи), следует руководствоваться неравенством



где Cпар = 0,1...0,5 пФ – паразитная ёмкость резисторов; fmax – наибольшая частота, на которой усилитель сохраняет свои свойства.

Величины сопротивлений резисторов R1, R2, …,Rn определяют как

Ri = Rос / Ki, где i = 1,2,…, n. (1.3)

При проектировании сумматора необходимо учитывать, чтобы суммарное напряжение на его входе не превышало максимально допустимого выходного напряжения Uвых max для выбранного ОУ, т.е.



Величина сопротивления нагрузки RН для инвертирующего усилителя должна удовлетворять условию
RН  Eп / Iвых max, (1.4)

где Iвых max – максимально допустимый ток на выходе ОУ; Еп- напряжение источника питания.

Таким образом, справедливы следующие положения для всех схем инвертирующего включения:


8

1.1.3 Неинвертирующий операционный усилитель

При неинвертирующем включении ОУ источник сигнала U2 и входные резисторы можно подключать и к его неинвертирующему входу (рис. 1.3).

Если цепь ООС замкнута, тогда:
U1 = I1Z1 = Uвых Z1 / (Z1 +Zос); Uвых = K(U2  U1).
При совместном решении этих равенств получаем



При Z1Zос = K – 1 и K = 1 - неинвертирующий усилитель работает, как повторитель напряжения. На практике широко используется также классическая формула



Величины входного и выходного сопротивлений неинвертирующего усилителя рассчитывают по формулам

Zвх.св  Rвх.д [1+KZ1 (Z1+Zос)];

Zвых.св  Rвых.д (1+ ∙К).

1.1.4 Интегрирующий усилитель

Интегрирующие усилители (интеграторы) преобразуют входные сигналы в интегральные функции времени. Для интегратора требуется один ОУ, который работает в инвертирующем режиме (рис. 1.4). Интегрирующий усилитель создается путём замены резистора Rос в схеме инвертирующего усилителя на конденсатор C.

При использовании в интеграторе ОУ с идеальными характеристиками, напряжение на выходе интегратора определяется согласно выражения (1.6.)
9



где RC = з– постоянная времени заряда интегратора ; K1 = (RC)  масштабный коэффициент.

Масштаб интегрирования выбирают так, чтобы выходное напряжение усилителя не достигало на рабочем участке предельного значения  Uвых max.

Коэффициент усиления по напряжению интегратора Киу при ZR = R и

Zc= 1/jC может быть вычислен по формуле (1.7)

(1.7)

т.е. коэффициент усиления интегратора зависит от частоты. С ростом частоты входного сигнала коэффициент усиления, а, следовательно, и выходное напряжение интегратора, уменьшаются.

Зависимость коэффициента усиления Kиу от частоты f входного сигнала показана на рис. 1.5. Обычно выбирают C = 0,01…1 мкФ в цепи заряда конденсатора R-C [1,2].
Постоянная времени цепи заряда интегратора задаётся из условия

3 = K1=RC

Следовательно величину резистора R можно рассчитать по формуле

R = 3 / C (1.8)

Следует учесть, что выбранная величина резистора R должна удовлетворять следующему условию:



где Еп – напряжение источника питания

10



Рисунок 1.4 - Схема электрическая принципиальная интегрирующего усилителя реализованного на ОУ



Рисунок 1.5 – График зависимости коэффициента усиления интегрирующего усилителя от частоты входного сигнала Kиу = F(f)



Рисунок 1.6 - Схема электрическая принципиальная дифференцирующего усилителя реализованного на ОУ
11
В интеграторе для уменьшения времени разряда конденсатора необходимо включать параллельно конденсатору С резистор Rос или транзисторный ключ (на рис. 1.4 не показаны).

p = Roc С – постоянная времени разряда конденсатора определяется в цепи Rос – С интегратора.

Зная постоянную времени разряда p и значение величины емкости С, определяют величину сопротивления резистора Roc.

Найденное значение Roc должно удовлетворять следующему условию:



где Еп- напряжение источника питания

Балансный резистор Rб (если предусмотрен в схеме) выбирают из условия

1 / Rб  1 / Rут + 1 / R, причем Rб  Uсм 0 / ∆ Iвх. (1.11)

Резистор утечки определяют по формуле

Rут = 1 / С,

где  = 10… 10  коэффициент, характеризующий величину сопротивления утечки; Еп – напряжение источника питания.

1.1.5 Дифференцирующий усилитель
Если поменять местами резистор R и конденсатор C в цепи ООС интегратора (см. рис. 1.4), то получается дифференцирующий усилитель (дифференциатор), который будет выполнять обратную операцию (см. рис. 1.6).

При величине статического коэффициента ОУ K  , выходное напряжение дифференцирующего усилителя составит Uвых =  Rос C (dU1/dt), где RосC = з – постоянная времени заряда конденсатора С и выбирается так, чтобы выходное напряжение усилителя не достигло на рабочем участке предельного значения.

Модуль коэффициента усиления дифференциатора при Rос = Zос и Zc = 1/jC может быть вычислен по формуле (1.12)

12




(1.12)

Из выражения (1.12) видно, что коэффициент усиления дифференциатора зависит от частоты. С ростом частоты входного сигнала коэффициент усиления и выходное напряжение дифференциатора, увеличиваются.

Обычно выбирают C = 0,01… 1 мкФ [1]

Постоянную времени заряда дифференциатора вычисляют так: з = RocC.

Зная постоянную времени дифференцирования и задаваясь значением емкости, определяют величину сопротивления резистора Roc.

Найденное значение Roc должно удовлетворять следующему условию:

Rmin = Uвых max.oy / Iвых max.oy ; Rmax = 100 кОм… 1 МОм.

По формуле (1.12) на заданной частоте определяют коэффициент усиления дифференцирующего усилителя.
1.2 Выходные каскады

Е


сли интегратор (дифференциатор) должен работать на низкоомную нагрузку Rн, то между выходом интегратора или дифференциатора и нагрузкой включают дополнительно выходной каскад – усилитель мощности. Усилитель мощности, как правило, выполняют на биполярных транзисторах (см. рис. 1.7). В усилителе мощности усиление по току осуществляется двухтактным выходным каскадом, который реализован на биполярных транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4. В качестве выходных транзисторов VT3, VT4 применены транзисторы с проводимостью n-p-n типа. В качестве транзисторов VT1, VT2 используются транзисторы с проводимостью разного типа, образующие комплементарную пару (транзисторы с проводимостями типа n-p-n, p-n-p и одинаковыми параметрами).

Выходной каскад работает в двухтактном режиме: при подаче с выхода интегратора (дифференциатора) на вход оконечного двухплечевого каскада гармонического сигнала плечи каскадов отпираются поочередно, т.е. сигнал, открывающий транзисторы VT1, VT3, запирает транзисторы VT2, VT4.

13

Диоды VD1… VD3 осуществляют параметрическую температурную стабилизацию режима работы транзисторов и совместно с резисторами R4, R5 обеспечивают выбранный режим работы транзисторного каскада.

Для получения большей мощности в усилителе мощности (более 5 Вт) и высокого коэффициента полезного действия (КПД) применяют двухтактные каскады, работающие в режиме (классе) В. Но при этом имеют место большие нелинейные искажения усиливаемого сигнала за счет влияния нелинейности участка статической входной характеристики транзистора, на который попадает рабочая точка (точка покоя) транзистора.

Указанный недостаток можно устранить, если перевести работу усилителя мощности в режим (класс) АВ, но при этом снизится на 5…10% его КПД. Режим АВ усилителя мощности обеспечивается путём подачи в базы транзисторов обоих плеч каскада небольшого напряжения смещения Uсм, при котором в цепи коллектора каждого транзистора протекает некоторый ток покоя Iкп = (0,05…0,15)Iк max (рис. 1.11).

В усилителе мощности функционирующем в режиме (класс) АВ, плечи двухтактной схемы работают поочередно, каждое в течение одного полупериода входного гармонического (синусоидального) сигнала. Для упрощения расчёта такого каскада предполагается, что один усилительный элемент работает в течение всего периода сигнала. Это позволяет выполнять расчеты по семейству характеристик одного элемента, получая при этом данные, относящиеся ко всему каскаду.
2. ПЛАН РАСЧЕТА


Разработать одно из устройств: первое – состоит из интегрирующего усилителя реализованного на ОУ с усилителем мощности; второе – состоит из дифференцирующего усилителя, реализованного на ОУ с усилителем мощности. Провести графо-аналитический расчет выходного каскада - усилителя мощности, который необходимо выполнить на биполярных транзисторах.

14

Исходные данные к расчету интегрирующего и дифференцирующего устройств приведены в техническом задании (см. табл. П.1 приложения А и табл. П.2 приложения Б):

2.1 Расчет интегрирующего усилителя
Расчет интегрирующего усилителя (интегратора) выполненного на основе операционного усилителя DA1 производят следующим образом (см. рис. 1.8).

В качестве DA1 выбирают аналоговый операционный усилитель (ОУ) типа К…УД…, исходя из заданных величин ~Uвх и ~Uвых устройства [6,15]. Выписывают из справочника следующие параметры ОУ: Eп.оу(Uп.оу); Iп.оу; Uвых max оу; Iвых.max.оу; Rвх.оу; Kоу; fт.оу [6,15].

Производят расчет интегрирующего усилителя по методике [1] следующим образом.

Выбирают С1 = 0,001 … 1мкФ.

Уточняют тип и величину конденсатора С1 согласно близкого стандартного значения указанного в справочнике учитывая, что UC1>>2Eп [12, 13].

С
15
правка. Цепи питания ОУ и транзисторов усилителя мощности по отношению к источнику питания Еп выбирают общими, а величины их питающих напряжений (см. справочные данные) по отношению к Еп дожны быть больше на 20 – 30 % т.е. составлять 1,3 Еп. Стандартные величины постоянных напряжений источника питания Еп следующие: 0,25; 0,4; 0,6; 1,2; 2,4; 3; 4; 5; 6; 9 (10); 12; 15; 20; 24; 27; 30; 40; 48; 60; 80; 100; … [9].

Постоянная интегрирования интегратора з = R1 C1, Ом*Ф.

Зная постоянную интегрирования з и задаваясь значением емкости С1, определяют величину резистора R1. R1 = з / С1, с/Ф

По справочной литературе уточняют тип и стандартную величину резистора R1, согласно ряда E24 [7, 8].

Полученное значение R1 должно удовлетворять условию (1.9):

Определяют Rmin и находят максимальный выходной ток ОУ (Iвых max oy) по справочнику [6].

Определяют R3.

В интеграторе R3 – C1 – цепь разряда, постоянная которой p = R3  C1, или p = 10з (указана в техническом задании), отсюда R3 = p / C1.

Найденное и выбранное по справочнику согласно ряда Е24 значение R3 должно удовлетворять условию (1.10) [7, 8]:



Величина резистора R2 эквивалентна параллельному соединению элементов R1, R3.

R2  R1.

По формуле (1.7) на заданной максимальной частоте входного сигнала определяют модуль коэффициента передачи (усиления) по напряжению Кин интегратора по формуле:



и


лежит в пределах 1?Кин?1

16

Затем на минимальной рабочей частоте определяют выходное напряжение интегрирующего усилителя Uвых иу = Uвх Kиу, согласно выше полученной величины Киу. Если напряжения на выходе интегратора Uвых иу полученно по величине меньше заданного напряжения устройства UВЫХ, то в усилителе мощности (см. приложение Д) необходимо поставить усилитель напряжения на ОУ DA2, при этом коэфициент устройства есть произведения Киу на Кум, т.е. Киуум.
2.2 Расчет дифференцирующего усилителя
Расчет дифференцирующего усилителя (дифференциатора) выполненного на основе аналогового операционного усилителя DA1 производят следующим образом (см. рис. 1.9).

В качестве DA1 выбирают аналоговый операционный усилитель (ОУ) типа К…УД…., исходя из заданных величин ~Uвх и ~Uвых устройства [6, 15]. Выписывают следующие параметры ОУ: Eп.оу(Uп.оу); Iп.оу; Uвых max оу; Iвых.max.оу; Rвх.оу; Kоу; fт.оу [6, 15].

Производят расчет дифференциатора по методике [1].

Выбирают С1 = 0,001 … 1мкФ.

Уточняют тип и величину конденсатора С1 согласно близкого стандартного значения, учитывая, что UC1>>2EП [12, 13].

Постоянная времени заряда дифференциатора з = R1 C1,Ом  Ф.

Зная постоянную времени дифференцирования з и задаваясь значением емкости C1, определяют величину резистора R1 по формуле R1 = з / С1.

По справочнику выбирают тип и стандартную величину резистора R1 из ряда E24[7, 8].

Полученное значение R1 должно удовлетворять условию(1.10):

Rmin = (Uвых max.oy / Iвых max.oy)R1Rmax = 100 кОм… 1 МОм.

Справка. Цепи питания ОУ и транзисторов усилителя мощности по отношению к источнику питания Еп выбирают общими, а величины их питающих напря 17

жений (см. справочные данные) по отношению к Еп дожны быть больше на 20 – 30 % т.е. составлять 1,3 Еп. Стандартные величины постоянных напряжений

источника питания Еп следующие: 0,25; 0,4; 0,6; 1,2; 2,4; 3; 4; 5; 6; 9 (10); 12; 15; 20; 24; 27; 30; 40; 48; 60; 80; 100; … [9].

Величина резистора R2 эквивалентна параллельному соединению элементов R1, C1. На минимальной рабочей частоте входного сигнала величина резистора R1 в основном определена ёмкостным сопротивлением Zc



По формуле (1.12) на заданной рабочей частоте определяют величину модуля коэффициента усиления (передачи) по напряжению дифференциатора



Следовательно, Kду = -2f maxC1 R1 (см. рис. 1.9.).

Определяют выходное напряжение дифференцирующего усилителя на заданной рабочей частоте

Uвых ду = Uвх Кду согласно выше полученной величины Кду. Если напряжения на выходе дифференциатора Uвых ду полученно по величине меньше заданного напряжения устройства UВЫХ, то в усилителе мощности (см. приложение Д) необходимо поставить усилитель напряжения на ОУ DA2, при этом коэфициент устройства есть произведения Кду на Кум, т.е. Кдуум.


2.3 Расчет усилителя мощности
2.3.1 Выбор компонентов усилителя мощности
В техническом задании на курсовой проект приведены сопротивление нагрузки RН и амплитудное значение синусоидального напряжения ~Uвых. на нагруке. 18

Используя эти значения, по формулам рассчитывают мощность, выделяемую на нагрузке (см. рис. 1.10) Pнр = UІвых / Rн.

Рассчитывают максимальный коллекторный ток Iк.max выходного транзистора (ток нагрузки Iнр) по формуле Iк.max =Iнр=Uвых / Rн.

Рассчитывают величину напряжения источника питания ± Eпр = 1,2Uвых + ∆Uкэ,

где ∆Uкэ = (0,5…2)В – величина, которая соответствует нелинейному участку семейства выходных характеристик транзистора (см. рис. 1.11).
Выбирают по верхнему пределу величины стандартных постоянных питающих напряжений  EП из ряда напряжений, указанных выше и рекомендуемых ГОСТом, близких по верхнему пределу к расчётным Епр. [9].

Выбирают тип выходных транзисторов VT3, VT4. Для этого расчитывают мощность, рассеиваемую в их коллекторных переходах, одновременно выбирая величины расчётных коллекторных токов Iкр [5, 7, 14].

Pкр = Pи – Pнр,

где Pи = Eп Iнр – мощность, потребляемая каскадом от источника питания.

По найденным значениям величин Pкр, Еп, Iкр = Iнр выбирают по справочнику транзисторы VT3,VT4, паспортные значения величин которых (максимально допустимые параметры перечисленных величин) должны превышать полученные расчётные значения на 15…30 % [5, 7, 14]. Например, Iкmax=(1,15…1,3)Iкр

Iк max ? Iкр; Uкэ max ? 2Eп; Pк max ? Pкр; fmax ? 2fp max.

Для выбранных по справочнику транзисторов выписывают их параметры [14]:

h'21э min; U'кэ max; I'к max; f 'max; P'к max.

Выбирают тип операционного усилителя DA1 (предварительный усилитель по напряжению), в составе усилителя мощности, типа К…УД… или К…УН… (см. рис. 1.10) [6]. При этом величина напряжения питания ±Uп.оу выбранного операционного усилителя должна быть больше на 15…30% относительно выбранного стандартного напряжения питания ±Еп. 19


Рисунок 1.7 - Схема электрическая принципиальная двухтактного усилителя мощности реализованного на биполярных транзисторах


Рисунок 1.8 - Схема электрическая принципиальная интегрирующего усилителя (интегратора) реализованного на ОУ


Р


исунок 1.9 - Схема электрическая принципиальная дифференцирующего усилителя (дифференциатора) реализованного на ОУ

20

Таким образом, в качестве предварительного усилителя по напряжению выступает ОУ общего применения, максимальное выходное напряжение Uвых.max оу которого не может быть ниже заданного (расчётного) выходного Uвых напряжения на нагрузке, так как выходной транзисторный каскад (усилитель мощности, как эмитторный повторитель) не осуществляет усиления по напряжению, а только по току.

По справочнику выписывают необходимые параметры предварительного усилителя по напряжению, например, максимальный выходной ток ОУ Iвых max oy, напряжение питания Uп.оу и т.д. [6, 15].

Определяют коэффициент усиления транзисторного каскада по току Кi:

Ki = Iнр / Iвых max oy.

Если Ki больше или равен минимальному коэффициенту усиления по току h21 э.мин транзисторов VT3, VT4, то необходимое усиление по току будет обеспечено этими транзисторами, и схема транзисторного каскада (см. рис. 1.7) упрощается (два транзистора ликвидируются – см. приложение Д), в противном случае выбирают вторую пару транзисторов VT1, VT2.

Определяют коэффициент усиления по току, который необходимо обеспечить транзисторами VT1,VT2

h21э VT1 = Ki / h21э VT3

Определяют коллекторный ток транзистораVT1

Iк VT1 = Iб VT3 = Iк VT3 / h21э VT3.

Выбирают комплементарную пару маломощных транзисторов VT1, VT2, по справочнику с учётом того, чтобы их паспортные данные по току, напряжению питания и т. д. на 15…30 % превышали расчётные [5, 14].


      1. Расчет усилителя мощности по постоянному току


Расчет усилителя мощности (выходного транзисторного каскада) выполняют графо-аналитическим методом (см. рис. 1.11). Графические построения проводятся с использованием выходных и входных статических вольт-амперных характери 21

стик транзисторов. На выходных статических характеристиках транзистора проводят так называемую линию нагрузки (пунктирная линия) каскада по постоянному току, представляющую собой геометрические места точек, координаты которых соответствуют возможным значениям положения точки покоя «П» каскада.
Аналитическое уравнение линии нагрузки имеет вид:

Eп = Iк Rн + Uкэ.

В связи с этим построение линии нагрузки проводят по двум точкам, характеризующим режим холостого хода Uхх = Uкэ = Eп при Iк = 0, и короткого замыкания
U
22
кз = 0, Iк = Eп / Rн. (Eп –стандартная величина напряжения источника питания).

В режиме АВ начальный постоянный ток коллектора Iкп составляет от максимального тока коллектора Iкп = (0,05…0,15)Iк mах, при этом постоянный ток базы транзистора VT2 Iбп=Iб2. Величина Iк mах пропорциональна Uвых.mах и Uн (см. рис. 1.11).

Откладывают значение Iкп на вертикальной оси Iк (см. рис. 1.11,б) и находят положение рабочей точки «П» на линии нагрузки. По выходным характеристикам определяют ток базы покоя Iбп,, а по входным, через полученный Iбп – значение напряжения покоя базы транзистора Uбэ.п,, обеспечивающие заданный режим работы транзистора. (см. рис. 1.11). Uбэ п=Ucм , где Uсм- напряжения смещения.

Выбирают маломощные кремниевые диоды (VD1…VD3) в цепи делителя, с параметрами Uобр max д > 2Eп., обладающих высокой температурной стабильностью.

Диоды включены в прямом направлении (диод может быть один) и обеспечивают напряжение смещения транзисторов при работе усилителя мощности в режиме (классе) АВ. Прямое суммарное падение напряжения на этих диодах Uпр.д должно составлять согласно схеме (рис. 1.10) величину напряжения покоя базы транзистора VT3, равную 3Uбэп VT3, тоесть величину напряжения смещения Uсм. И, если напряжение смещения равно максимальному прямому напряжению диода Uсм=Uпр.д, то по статической вольт-амперной характеристике (ВАХ) выбранного по справочнику [16] диода согласно Uпр..д определяют прямой ток диода Iпр.д, который 22



Рисунок 1.10 - Схема электрическая принципиальная инвертирующего усилителя мощности: предварительный каскад по напряжению выполнен на ОУ (DA1); выходной двухтактный каскад выполнен на транзисторах VT1…VT4
с


оответствует току делителя Iдел. Если одного диода не достаточно для создания требуемого напряжения смещения Uсм, то выбирают два или три однотипных диода, считая что Iдел. при этом практически не изменится [16]. Пример выбора кремниевого диода, в качестве элемента смещения согласно проведенного графо-аналитического расчета для конкретного усилителя мощности реализованного на транзисторах.

Если, согласно рис. 1.11,а напряжение смещения составит Uсм=3 Uбэ.VT2=2,4В, а 2Еп=24В то по справочнику следует выбрать 3 диода 2Д502А (КД502А). По ВАХ диода КД502А Iпр.д=f(Uпр.д) находят при Uпр.д=0,8В прямой ток диода Iпр.д=18мА, таким образом ток делителя составит Iдел= Iпр.д=18мА. Следует отметить что ток дели 23

Рисунок 1.11 – Статические и динамическая вольт-амперные характеристики биполярного транзистора включенного по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель): а  входная (переходная, базовая), б  выходная (коллекторная) и динамическая (нагрузочная) характеристика (показана пунктирной линией)

теля в каждом из 3 диодов также составляет 18мА. В курсовом проекте на ВАХ диода покажите точку нахождения прямого тока диода. Справка: предельные тактико-технические характеристики (ТТХ) диода КД502А: Uпр.д=1В, Iпр.д=20мА, Uобр.д=30В согласно справочной литературы [16].

С точки зрения обеспечения температурной стабильности точки покоя “П” транзисторов усилителя мощности необходимо, чтобы выполнялось условие

Iдел  (2…5) IбпVT1. 24

Определяют ток базы Iбп VT1 в режиме покоя транзистора VT1, который должен быть не больше тока покоя базы Iбп VT3 в режиме покоя транзистора VT3.

Iбп.VT1 = Iкп.VT1 / h21 э VT1, Iкп VT1 = Iбп VT3.

Определяют расчётные значения величин сопротивлений резисторов R4 и R5 в цепи делителя по формуле(см. рисунок 1.10):



где Uпр.д =Uсм– суммарное прямое напряжение на диодах равно напряжению смещения.

Выбирают по справочнику тип резистора R4(R5), величина его сопротивления должна соответствовать стандартному ряду E24 [7,8].

Определяют мощность резистора R4 (R5) в цепи делителя по формуле:

P = IІдел R4.
2.3.3 Выбор компонентов инвертирующего усилителя
Первый каскад (инвертирующий усилитель) в составе усилителя мощности выполнен на основе операционного усилителя (ОУ) DA1 (см. рис. 1.10).

Выходной сигнал интегрирующего усилителя Uвых иу или дифференцирующего усилителя Uвых ду (см. рис. 1.8, 1.9, 1.10) является входным сигналом усилителя мощности Uвх ум, т. е. Uвых иу= Uвх ум; Uвых ду= Uвх ум (см. рис. 1.10)

Модуль коэффициента усиления по напряжению K в целом выходного усилителя мощности охваченного ООС (цепь с резистором R3) определяется по формуле (1.1):

Kум =  (R3 / R1) = Uвых / Uвх ум (см. рис. 1.10).

Задаваясь значением сопротивления резистора R3, определяют величину резистора R1. 25

Величину балансного резистора R2 можно определить по формуле (1.2) как параллельное соединение резисторов R1 и R3 таким образом .

По результатам расчетов выбирают по справочнику типы резисторов R1, R2, R3 и их величины сопротивлений согласно стандартному ряду E24 [7, 8]

С учетом условных графических обозначений элементов (ГОСТы: 2.728-74, 2.730-73, 2.743-82) и согласно ГОСТов 2.701-84 и 2.702-75 вычерчивают окончательно схему электрическую принципиальную устройства - интегратора (дифференциатора) с усилителем мощности. В приложении Д приведён типовой пример начертания схемы электрической принципиальной возможного устройства. Конкретный вид устройства – интегрирующее или дифференцирующее зависит от положения переключателя в схеме (см. приложение Д). Данные о компонентах схемы записывают в таблицу перечня элементов [10, 11]. Форма таблицы перечня элементов (см. приложение Е) и основная надпись для схем и текстовых документов приведены также на 26 с. и 142 с. в литературе [10].

Примечание:

1 В пояснительной записке окончательно приводят схему электрическую принципиальную всего устройства в целом. со сквозными позиционными обозначениями элементов. Как, например, показано в приложении Д.

2
25
. Номера позиций элементов в схеме разработанного устройства и в таблице перечня элементов должны совпадать.

3. При постановке схемы усилителя мощности (рис. 1.10) в состав разработанного устройства (например, как выполнено в приложении Д) интегрирования (устройства дифференцирования) номера позиций отдельных элементов усилителя мощности соответственно следует читать так: R1 как R3; R2 как R4; R3 как R5; DA1 как DA2; R4 как R6; R5 как R7.

Дополнительная информация: 26

- номера каждого типа элементов принципиальной схемы разработанного устройства выписывают сверху вниз и слева направо и заносят в таблицу перечня элементов (см. приложение Д);

- размерности величин приведены в системе СИ (например, в формуле ?з = R11, где ?з в секундах; R1 в омах; С1 в фарадах);

- если расчетная величина коэффициента усиления по напряжению интегратора Киу (дифференциатора Кду) недостаточна для получения величины заданного выходного напряжения Uвых всего устройства, т.е. Uвых. иу. < Uвых или Uвых. ду. < Uвых, то в составе усилителя мощности должен присутствовать инвертирующий операционный усилитель DA1 (см. рис. 1.10) или DA2 (см. приложение Д) с необходимой величиной динамического коэффициента усиления по напряжению Кум., то есть Uвых = Киу* Кум. * Uвх для интегрирующего устройства и Uвых = Кду* Кум. * Uвх для дифференцирующего устройства;

- интегрирующее устройство может состоять собственно из интегратора, (см.рис.1.8) если Rн? ?, а расчетный ток на выходе ОУ интегратора составлял бы величину не более 20-50 мА;

- в первом приближении величину напряжения питания Еп выбирают меньше напряжения питания Еп..оу (Uп.оу) выбранного операционного усилителя интегратора (транзисторов),но больше заданной величины выходного напряжения сигнала ~Uвых то есть Еп должно находиться в пределах ~Uвых < Еп < Еп.оу;

-


иногда входные вольтамперные характеристики IБ = f(Uбэ) биполярного транзистора включенного по схеме с общим эмиттером, в справочниках, приведены в виде натуральных логарифмов как, например, IБ1 = 1мА, IБ2 = 2мА, следует читать так IБ1 = е1 = 2,7мА; IБ2 = е2 = 7,4мА и т.д.;

-
27
на рисунке 1.11 ток базы покоя (на примере IБ2) находят для конкретного транзистора следующим образом: определяют начальный постоянный ток коллектора Iкп аналитическим путём; на ординате семейства выходных характеристик ВАХ транзистора от нуля откладывают величину Iкп и проводят линию параллельно оси абсцисс до пересечения с динамической (нагрузочной) характеристикой (рабочая точка П) и фиксирует величину Iбп на соответствующей ветви выходной статической
характеристики ВАХ Iбп. = Iб2 (если это конкретная характеристика отсутствует то

её дорисовывают); величину Iбп переносят на ординату входной ВАХ данного транзистора и выполняют необходимые построения, на этой входной ВАХ.

Образцы бланков титульного листа, технического задания, требований в пояснительной записке основных надписей (штампов), содержания (оглавления) и технического задания на курсовую работу приведены в приложениях В, Г, Ж, З, И.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ


  1. Выполнен расчёт и выбор компонентов (элементов схемы), которые входят в состав разработанного дифференцирующего (интегрирующего) устройства [устройство состоит из 2-х блоков: дифференциатора (интегратора) и усилителя мощности].

  2. Дифференцирующее (интегрирующее) устройство выполнено на базе интегральных микросхем (операционных усилителей) и биполярных транзисторов.

  3. Выполнен расчёт двухтактного выходного транзисторного каскада - усилителя мощности, графо-аналитическим методом (каскад работает в режиме АВ).

  4. Выполнен расчёт компонентов в цепи автоматического смещения двухтактного выходного транзисторного каскада - усилителя мощности

  5. Графо-аналитический расчёт и схемотехническое решение дифференцирующего (интегрирующего) устройства выполнены полностью и отвечают техническому заданию выданному на курсовой проект.

  6. В


    процессе выполнения курсового проекта изучен следующий перечень теоретических вопросов: принципы работы дифференциаторов и интеграторов, входные каскады которых реализованы на операционных усилителях а выходные на биполярных транзисторах.



  1   2   3   4


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации