Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Розрахунок підсилювача низької частоти з ємнісним навантаженням.
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра РЕПС
Інформація про роботу
Рік:
2003
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
Аналогові електронні пристрої
Група:
РТ-32
Варіант:
17
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти та науки України
Національний університет “Львівська політехніка”
ІТРЕ
Кафедра РЕПС
Курсова робота
з дисципліни: „Аналогові електронні пристрої”
на тему:
„Розрахунок підсилювача низької частоти з ємнісним навантаженням”
Варіант №17.
Виконав:
студент групи РТ-32
Перевірив:
доцент каф. РЕПС
Сніцарук Л.А.
Львів 2003
Зміст
Вступ 3
Технічне завдання 4
1. ЕСКІЗНИЙ РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЧА.
1.1.Аналіз технічного завдання 5
1.2. Вибір типу кінцевого каскаду 5
1.3. Вибір типу вхідного каскаду 6
1.4. Вибір числа підсилювальних каскадів 7
1.5. Визначення необхідності застосування електронного резистора 7
1.6. Розрахунок міжкаскадних параметрів підсилювача 8
1.7. Вибір транзисторів для проектованого підсилювача 9
2. ЕЛЕКТРИЧНИЙ РОЗРАХУНОК ПРІШЦИПОВОЇ СХЕМИ ПІДСИЛЮВАЧА.
2.1. Розрахунок вихідного каскаду 12
2.1.1. Вибір робочої точки й розрахунок параметрів транзистора в ній 12
2.1.2. Розрахунок каскаду по постійному струмові 13
2.1.3. Розрахунок ємностей конденсаторів 14
2.1.4. Розрахунок основних параметрів каскаду 15
2.2. Розрахунок диференційного каскаду 16
2.2.1. Вибір робочої точки для транзистора вхідного каскаду 16
2.2.2. Розрахунок каскаду по постійному струмові 17
2.2.3. Розрахунок ємностей конденсаторів 18
2.2.4. Розрахунок основних параметрів каскаду 18
2.3. Розрахунок частотних характеристик підсилювача 19
2.4. Перехідна характеристика проектованого підсилювача 20
3. РОЗРОБКА АНАЛОГА НА ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧАХ.
3.1. Вибір схеми ввімкнення операційного підсилювача 22
3.2. Вибір типу ОП для проектованого підсилювача 22
3.3. Розрахунок числа каскадів підсилення й розподіл коефіцієнта підсилення 23
Висновки 26
Список літератури 30
Вступ.
Підсилювачі електричних коливань можуть бути як самостійний пристрій (підсилювачі частоти у звуковій техніці), або певною складовою частиною більш складних пристроїв. Незважаючи на таку різноманітність принцип дії залишається незмінним, сутність якого полягає у перетворенні енергії джерела живлення у енергію корисного сигналу за допомогою так званих активних елементів. Активними елементами у підсилювачах, потужність яких не перевищує 100Вт, як правило, є транзистори або інтегральні мікросхеми. Розробці підсилювача, у якого активним елементом є транзистор, та його аналога на інтегральній мікросхемі присвячена дана робота.
Умовно робота поділена на три частини, причому дві перші взаємозв'язані. У першій частині, проведений розрахунок структурної схеми проектованого підсилювача, який базується на заданих у технічному завданні вихідних даних. Зокрема, визначається тип вхідного та вихідного каскадів, на підставі заданого внутрішнього опору джерела сигналу та опору навантаження підсилювача відповідно. Для забезпечення необхідного коефіцієнта підсилення визначається внутрішній міжкаскадний зв'язок, а також розраховуються міжкаскадні параметри, які використовуються у подальшому проектуванні. Підсумком першої частини є вибір типу транзисторів.
Друга частина - присвячена аналізу схем кожного каскаду. Відправною точкою аналізу є вибір положення робочої точки транзистора. Для проведення розрахунків каскаду, по постійному струму, використовується графоаналітичний метод. Розраховані параметри компонентів можуть відрізнятись від стандартної шкали опорів резисторів (ємностей конденсаторів), вибір яких проводиться за рядом Е24 або Е6 (останній ряд, використовується для електролітичних конденсаторів). У разі невідповідності теоретичної величини компонента зі стандартною, величина відповідного ряду подається поряд. Потужність, яка розсіюється на резисторі, обчислюється за однією з відомих формул: Р=IU=І2R=U2/R. У цій же частині розраховані основні частотні та перехідна характеристика підсилювача, як окремого пристрою.
У третій частіші проведений розрахунок підсилювача з використанням інтегральних мікросхем типу операційний підсилювач (ОП).
Технічне завдання.
Провести інженерний розрахунок малопотужного широкосмугового підсилювача на дискретних елементах, та його аналога на операційних підсилювачах. Пристрій використовується, як попередній каскад підсилення, для активних колонок монофонічного відтворення аудіо запису.
Задані параметри підсилювача низької частоти з ємнісним навантаженням:
Вхідна напруга, Uвх [мВ]......................................................................... 60
Вихідна напруга, Uвих [В]...................................................................... 8,6
Частота нижнього зрізу, fн. з [Гц]............................................................ 200
Частота верхнього зрізу, fв.з [кГц].......................................................... 200
Внутрішній опір джерела сигналу, Rг [кОм]........................................... 110
Опір навантаження, Rн [кОм]................................................................ 7
Ємність навантаження, Cн [пФ]..............................................................220
Нестабільність колекторного струму, δIк0 [%]....................................... 0,2
Коефіцієнт подавлення синфазних завад, Dз [дБ]......................................60
Діапазон робочих температур, Δθ [ºС]......................................................+5 - +45
Параметри, які не задані у технічному завданні, але використовуються в процесі проектування вибираються самостійно і регламентуються відповідним ДЕСТом або прийнятим значенням.
1. ЕСКІЗНИЙ РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЧА.
Аналіз технічного завдання.
Проектований підсилювач відноситься до підсилювачів змінного струму, оскільки у технічному завданні (ТЗ) задається частота нижнього зрізу (у підсилювачів постійного струму, частота нижнього зрізу рівна нулю). Між каскадний зв'язок, у підсилювачах такого типу, здійснюється за допомогою розділюючих конденсаторів, які, разом із вхідним опором наступного каскаду, створюють джерело частотних спотворень. Для того щоби вихідний сигнал володів мінімальними спотвореннями, введено поняття коефіцієнта частотних спотворень, параметр, який не заданий у ТЗ. Значення, згаданого вище параметра, не регламентується ДЕСТом, тому приймаємо рекомендоване значення 3 дБ (на обох частотах зрізу) [1]: Мн = Мв = 3 дБ.
Необхідність корекції коефіцієнта підсилення може виникнути, якщо у склад проектованого підсилювача буде входити один із повторювачів (емітерний або витіковий). Це пояснюється тим, що коефіцієнт передавання повторювача будь-якого типу завжди менший від одиниці.
Аналіз перехідної характеристики проектованого підсилювача проводиться для прямокутного відео-імпульсу, із такими параметрами:
висота імпульсу, U, В 1
тривалість імпульсу, τ, мс 1
Спад вершини імпульсу, а також час наростання вихідної напруги визначаються графічно.
Напругу живлення підсилювача вибираємо згідно ряду напруг, числа якого кратні трьом.
Вибір типу кінцевого каскаду.
Вихідним опором підсилювача є вихідний опір його кінцевого каскаду, який вмикається паралельно до опору навантаження. Таке з'єднання приводить до зростання колекторного струму, величина якого може перевищити максимально допустиме значення. Для усунення цього недоліку, рекомендовано приймати :
(1.2.1)
Резистор, який визначає величину вихідного опору підсилювального каскаду, вмикається у колекторне (стокове) коло транзистора. Він повинен обмежувати струм транзистора так, щоб пікове значення струму не перевищувало Ікmax, а саме :
(1.2.2)
де U2m - амплітудне значення вихідної напруги;
Ікmах - максимально допустимий струм колектора (стоку) транзистора (задається у довідниках);
Rк - опір резистора у вихідному колі кінцевого каскаду.
Попередні міркування визначають умову вибору вихідного опору підсилювального каскаду:
(1.2.3)
Нерівність (1.2.3) можна розглядати як рекомендацію для вибору типу кінцевого каскаду :
(1.2.4)
Струм колектора транзистора кінцевого каскаду приймаємо рівним 0,7Ікmах . У першому наближені, максимально допустимий струм колектора малопотужних транзисторів можна прийняти рівним 100 мА, тоді для проектованого каскаду: Ікmах = 70 мА.
Згідно (1.2.3) отримаємо: 700 > R > 368, яка відповідає умові, що виражена у (1.2.4) чисельником. Тому вихідний каскад виконується як підсилювач напруги, а опір резистора в колекторному колі кінцевого каскаду приймаємо рівним Rк = 700 Ом, інші параметри якого будуть визначені під час електричного розрахунку схеми підсилювача. Обчислимо максимальну ємність колектора транзистора, для заданої верхньої частоти смуги пропускання :
пФ (1.2.5)
де С0 = Ск + См + Сн - сумарна вихідна ємність каскаду, тут См = 5...ІО пФ - ємність монтажу; Сн - ємність навантаження:
Ск = 1137-10-220 = 907 пФ.
Вибір типу вхідного каскаду.
Вхідний каскад проектованого підсилювача, можна розглядати як навантаження для джерела сигналу. Стає зрозумілим, що (1.2.1) є однією з умов незалежної роботи джерела сигналу, яку запишемо таким чином :
(1.3.1)
Таким чином, вхідний опір проектованого підсилювача повен бути не меншим 1,1 МОм.
Вибір типу вхідного каскаду проводимо згідно даних табл. 4 [2], враховуючи, що подавлення синфазної завади притаманно диференційним каскадам (ДК) підсилення. Таким чином перший каскад підсилювача, що розраховується, являє собою ДК на польових транзисторах (ПТ), який здатний забезпечити вхідний опір до (5. . . 7) МОм.
1.4 Вибір числа підсилювальних каскадів.
Від числа каскадів залежать, як конструктивні так і електричні параметри підсилювача. Для того щоб зробити пристрій компактним і з малою споживаною потужністю, але який забезпечить заданий коефщієнт підсилення, практично визначають його міжкаскадне з'єднання. Зокрема, коефіцієнт підсилення послідовно з'єднаних каскадів визнається, як добуток [1]:
(1.4.1)
де Кі - коефщієнт підсилення і-го каскаду.
Обчислюємо коефіцієнт підсилення, який повинен забезпечити проектований підсилювач:
КU = Uвих / Uвх = 8,6/0,06= 143. (1.4.2)
Орієнтовне значення коефіцієнта підсилення КU вихідного каскаду визначимо за даними табл. 2 [2], а також рекомендованим значенням крутості характеристик біполярного транзистора Sбт = (10...60) мА/В. Тоді:
КU2 = RкRнSбт/(Rк + Rн) = 700 ∙ 7000 ∙ 0,06/(700+7000) = 38. (1.4.3)
Тепер розрахуємо коефіцієнт підсилення ДК:
КUДК = КU/КU2 = 143/38 = 3,76 (1.4.4)
Таким чином проектований підсилювач будується на двох каскадах:
перший диференційний каскад на польових транзисторах;
другий каскад - підсилювач напруги на біполярному транзисторі.
Визначення необхідності застосування електронного резистора
Електронний резистор, у RC каскадах, використовується з метою отримати задану нестабільність колекторного струму. У якості елемента стабілізації, як правило, використовується опір резистора у колі емітера, який утворює послідовний ВЗЗ за струмом. Опір цього резистора вибирається з умови раціонального використання джерела живлення і не перевищує 4... 5 кОм, оскільки збільшення опору резистора призведе до небаженого зростання напруги джерела живлення. До сказаного вище потрібно додати, що від величини опору резистора у колі витоку залежить коефіцієнт завадостійкості (подавлення синфазних завад) ДК. Тому спочатку розрахуємо величину опору резистора, який забезпечить задане гамування синфазних завад у ДК :
кОм, (1.5.1)
де S = (3. . . 10) мА/В - крутість характеристики польового транзистора .
Далі обчислимо мінімальну величину опору резистора в емітерному колі вихідного каскаду, який забезпечить заданий коефіцієнт нестабільності колекторного струму. Якщо температура навколишнього середовища зміниться на 1°С, то відносна нестабільність колекторного струму змінюється на (0,6. . . 1,3) % . Тобто отримаємо рівність
% (1.5.2)
З (1.5.2) визначаємо можливу зміну колекторного струму у заданому діапазоні температур, прийнявши, що при зміні температуру на 1°С, колекторний струм змінюється на 1%:
% (1.5.3)
Забезпечити задану у ТЗ зміну колекторного струму, можна за допомогою введення ВЗЗ, глибину якого визначаємо за такими співвідношенням :
. (1.5.4)
Таке значення ВЗЗ можне отримати, якщо величина опору резистора, в емітерному колі, буде дорівнювати :
кОм, (1.5.5.)
де S - крутість характеристики транзистора [2].
Обґрунтування застосування електронних резисторів у ДК та вихідному каскаді доведено розрахунками.
Розрахунок міжкаскадних параметрів підсилювача.
Перед тим як скласти структурну схему проектованого підсилювача, визначимо міжкаскадні параметри. Для цього використовуємо результати проведених вище розрахунків і прийнятих значень.
Амплітуда вихідної напруги передкінцевого каскаду (вхідна напруга кінцевого каскаду):
Uвих.дк = UBX2 = UBИX /КU2 =8,6/38 = 0,226 В.
Напруга на виході джерела сигналу:
Uвх дк = UBИX.Г = UBX2/КUДК = 0,226/3,76 = 0,06 В.
Проводимо розподіл коефіцієнта частотних спотворень між каскадами, із таких міркувань: напруга на виході першого каскаду має невеликі значення, тому значний запас по напрузі живлення,а у цьому каскаді можна отримати малі спотворення корисного сигналу. Задаємось Мні=Мві=0,5дБ. Від прийнятого у п. 1.1 значення цього параметра залишається 2,5 дБ, що й визначає коефіцієнт частотних спотворень другого каскаду підсилення.
Вибір транзисторів для проектованого підсилювача.
Напівпровідникові елементи не допускають, навіть короткого за тривалістю, перевищення максимально допустимих параметрів. Тому вибір транзисторів за електричними параметрами проводимо, виходячи з умови :
Uкemax ≥Uзал +2U2m =UKO +U2m =3U2m , (1.7.1)
де Uкеmax - максимально допустима напруга між колектором і емітером (задана у довідниках);
Uзал - напруга, при якій відбувається заламування вихідних характеристик транзистора;
Uко - стала, складова колекторної напруги.
Спочатку визначаємо транзистор вихідного каскаду підсилення :
Uкеmax ≥3∙8,6 = 25,8 В.
Мале значення вихідної напруги першого каскаду, дозволяє використовувати в ньому будь-який малопотужний транзистор, який задовольняє умові, яка приводиться нижче. Цій же умові повинні відповідати й транзистори ДК, оскільки тільки в цьому випадку робота транзисторів практично не буде залежати від частоти [1]:
ft ≥ (5...10)h21efB. (1.7.2)
де h21е - статичний коефіцієнт підсилення базового струму (для сучасних транзисторів лежить у межах 50...100),
ft ≥ 10∙100∙200000 = 200 МГц.
В якості електронних резисторів доцільно використовувати транзистори такого ж типу, оскільки колекторний струм транзистора електронного резистора, буде дорівнювати колекторному струмові транзистора підсилення у вихідному каскаді. Єдиним обмеженням, транзистора електронного резистора для ДК є те, що його стоковий струм повинен дорівнювати сумі стокових струмів транзисторів ДК. Під час вибору транзисторів для ДК перевагу слід віддавати спеціально розробленим транзисторним парам.
Для роботи у кінцевому каскаді, а також у якості електронного резистора беремо транзистор n-p-n провідності типу КТ3102А, статичні характеристики якого приведені на рис. 1.7.1 :
зворотний струм колектора, Ікбо [мкА] 0,05
статичний коефіцієнт передавання струму у схемі СЕ [h21e] 100...250
ємність колекторного переходу, Ск [пФ] 6
часова стала для кола зворотного зв'язку, τк [пс] 100
максимально допустимий струм колектора, I k max [мА] 100
максимально допустима напруга колектор-емітер,Uкe max [В] 50
гранична частота роботи транзистора, ft [МГц] 300
діапазон робочих температур, Θ [°С] -75...+70
потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора, Рk max [мВт] 150
Вхідний ДК будуємо на складених транзисторах типу КПС104Г, які розроблені для вхідних кіл диференційних підсилювачів сталого струму та високої частоти, із великим вхідним опором. Оскільки один тип КПС104Г містить два польових транзистори, то потрібно взяти два таких корпуси (другий для електронного резистора ДК). Статичні характеристики одного транзистора приведені на рис. 1.7.2 :
початковий струм стоку, Іс.поч [мА] 0.01
крутість характеристики, S [м А/В] 0,5...3
напруга відсічки, U [B] 2
вхідна ємність, C11c [пФ] 6
вихідна ємність, C22c [пФ] 3,5
максимально допустимий стоковий струм, Ісmax [мА] 5
максимально допустима напруга стік-витік, UCB max [В] 30
діапазон робочих температур, Θ [°С] -15...+70
максимально розсіювана потужність транзистора, P max [мВт] 45
Рис.1.7.3 Оріентована електрична принципова схема проектованого підсилювача.
2. ЕЛЕКТРИЧНИЙ РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМИ ПІДСИЛЮВАЧА.
2.1. Розрахунок вихідного каскаду.
2.1.1. Вибір робочої точки й розрахунок параметрів транзистора в ній.
Побудову навантажувальної характеристики по постійному струмові, почнемо з визначення таких параметрів каскаду й підсилювача в цілому :
постійна складова колекторної напруги у робочій точці
Uк04≥ Uзал + U2m= 1,5 + 8,6 = 10,1 В, (2.1.1)
де Uзал = 1...1,5 В- величина напруги заломлення вихідних характеристик, для кремнієвих транзисторів.
Приймаємо UK04 = 11 В.
постійна складова колекторного струму в робочій точці
ІК0=(l,l..l,2)U2m/R9=1,1∙8,6/700 = 0,0135 А. (2.1.2)
- напруга живлення підсилювача
Еж≥Uзал + U2m + Ιк04∙ R9 + UKVT3 = 1,5 + 8,6+ 0,0135∙700 +5 = 24,55В (2.1.3)
де UKVT3 = 4, 5 ... 5В - напруга на колекторі транзистора електронного резистора.
Задаємось прийнятим більшим значенням Еж = 27 В.
На рис. 1.7.1,6 будуємо навантажувальну характеристику по постійному струму, з'єднавши точку Еж, яка знаходиться на вісі напруги, і робочу точку транзистора, координата якої визначаються у перетині значень ІК04 і UK04·
Визначаємо основні параметри транзистора у робочій точці :
- середньогеометричне значення статичного коефіцієнта передавання по струму:
(2.1.4)
вхідний опір транзистора у робочі точці
, (2.1.5)
де m = 1...2 - якщо Ік0 < 0,05Ік mаx; m = 3... 5 - якщо Ік0 > 0,05Ік mаx;
гб = тк/Ск - розподільний опір бази.
rб =100/6 =16,7 Ом;
Ом.
крутість характеристики транзистора
А/В; (2.1.6)
вихідна провідність транзистора на верхній частоті зрізу
g22=2,5·ωΒ.3·Сκ=2,5∙6∙10 -12·2π·200000=18,6∙10 -6 См, (2.1.7)
Розрахуємо струм бази в робочій точці транзистора:
Ібо = Ік0/h21E = 13,5/158 = 0,085 мА.
Графічно визначаємо: Uбo = 0,64 В.
Координати робочої точки транзистора, який виконує функції електронного резистора (VT5), визначаємо аналогічно.
Напруга на колекторі цього транзистора була визначена вище: Uk ep=5В, а значення колекторного струму дорівнює колекторному струмові транзистора (VT4). На вихідних характеристиках будуємо навантажувальну характеристику транзистора VT5, за допомогою якої визначаємо графічно: Uke ep = 2 В;
Ібоeр = 0,15 мА; Uбoеp = 0,67 В.
2.1.2. Розрахунок каскаду по постійному струмові.
Параметри елементів схеми визначаємо у такій послідовності :
опір резистора R8
кОм (2.1.8)
Потужність резистора R8: PR8 =R8 ∙(IR8)2 =251∙103 ∙(0,085∙10-3 )2 = 1,8 мВт
Вибираємо резистор типу С2 - 33Н - 0,125 - 240 кОм ± 5 %.
- тип резистора R9, визначаємо після розрахунку його потужності:
PR9 = І2К04∙R9 = 0,01352∙700 = 0,127 Вт.
Вибираємо резистор типу С2 - ЗЗН - 0,25 - 680 Ом ± 5 %.
- опір резистора R10
Ом (2.1.9)
Потужність резистора R10: PR10=(13,65∙10-3)2∙219=0,041 Вт.
Вибираємо резистор типу С2 - ЗЗН - 0,125 - 220 Ом ± 5%.
опір резистора R12
кОм (2.1.10)
де Ід = 10∙IБ0ЕР =1,5 мА - струм дільника напруги R11 i R12.
Потужність резистора R12: PR12 =(1,5)2∙10-3∙2,5=5,625 мВт.
Вибираємо резистор типу С2 - ЗЗН - 0,125 - 2,4 кОм ±5%.
- опір резистора R11
кОм (2.1.11)
Потужність резистора R11: PR11 = (1,65∙10-3)2∙14∙103= 0,038 Вт.
Вибираємо резистор типу С2 - ЗЗН - ОД25 - 15 кОм ± 5%.
перевіряємо умову необхідності увімкнення гасячого резистора RФ2, яка подається у вигляді такої нерівності :
URФ2 = ЕЖ - UКVT4 ≥ 0,2 В, (2.1.12)
де UКVT4=UKVT5+UK0VT4+IK04∙R9=5+11+0,0135∙680=25,18 В - напруга живлення колекторного кола транзистора вихідного каскаду.
Маємо URФ2=27-25,18=1,82 > 0,2 В, тобто виникла необхідність використання гасячого резистора, опір якого розраховуємо :
Ом (2.1.13)
Потужність резистора RФ2: РRФ2 = 0,01352∙135 = 0,0246 Вт.
Вибираємо резистор типу С2 - ЗЗН - 0,125 - 130 Ом ± 5 %.
2.1.3. Розрахунок ємностей конденсаторів.
До вихідного каскаду відносяться конденсатори С3 і Сф2, ємності яких обчислимо за такими формулами :
ємність роздільного конденсатора С3 :
, (2.1.14)
де fH 3 - частота нижнього зрізу, яка задається у ТЗ;
RK - опір резистора, увімкненого у колекторне коло транзистора;
RH - опір навантаження каскаду;
Мн -коефіцієнт частотних спотворень, значення кого задається або приймається у процесі проектування (раз).
Ф
Вибираємо конденсатор типу KM - 6Б - Н90 – 120 нФ ± 10 %.
- ємність конденсатора Сф2
мкФ (2.1.15)
Вибираємо конденсатор типу К50 - 16 - 25В 56 мкФ ± 10 %.
2.1.4 Розрахунок основних параметрів каскаду.
Оскільки вихідний каскад є навантаженням перед кінцевого каскаду, то потрібно визначити його вхідний опір, вхідну ємність, а також уточнити коефіцієнт підсилення. Послідовність розрахунків згаданих вище параметрів проведена у такій послідовності :
вхідний опір каскаду
Rвх=R8 ІІ (h21e Re), (2.1.16)
де Rе-диференційний опір електронного резистора.
кОм
вихідний опір каскаду по змінному струмові можна розрахувати за такою формулою :
R ~ = (Rн-1+ R9-1+ R22-1 +ХС-1)-1, (2.1.17)
де Хс - опір ємностей приведених до колектору на верхній частоті зрізу.
кОм (2.1.18)
R ~ = (7000-1+ 700-1+ 18,6∙10-6 +3374-1)-1=530 Ом
- коефіцієнт підсилення за напругою :
КU2 ≈ SR ~ (2.1.19)
де R ~ - вхідний опір каскаду по змінному струмові.
КU2 =0,17∙530=90
вхідна ємність Свх :
Свх=CK∙СU2= 8,6∙90 = 775 пФ. (2.1.20)
2.2. Розрахунок диференційного каскаду.
Враховуючи, що розрахований коефіцієнт підсилення вихідного каскаду вийшов більшим від прогнозованого, то проведемо корекцію деяких параметрів вхідного каскаду:
коефіцієнт підсилення каскаду:
KU1 = ΚU/ΚU2 = 143/90 =1,58 ;
вихідна напруга диференційного каскаду:
UBИX.ДК = UBИX/KU2 = 8,6/90 = 0,096 В.
Для розрахунку диференційного каскаду задаються такі вихідні дані:
опір навантаження, Кн2 [кОм] 85
ємність навантаження, Сн [пФ] 775
вихідна напруга, Uвих [В] 0,096
2.2. 1. Вибір робочої точки транзистора вхідного каскаду.
Вибір робочої точки для транзисторів вхідного каскаду робимо таким чином. Спочатку обчислюємо максимальний струм стоку :
Ісmах = (0,8...0,9)Іс доп = 0,8∙5 = 4 мА. (2.2.1)
Далі приймаємо величину напруги U0С = 12 В, що відповідає типовому режимові транзистора.
Обчислюємо мінімальний опір резистора у стоковому колі транзистора (вихідний опір каскаду), який забезпечить необхідне підсилення, згідно (2.1.19):
R2 = R5 = KU1/S =1,58 /0,003 =527 Ом. (2.2.2)
Робимо перевірку згідно нерівності (1.2.1):
R5 =527 < 0,1∙Rн= 0,1∙85∙103= 8500 Ом. Умова виконується.
Перед вибором опора резистора R5 проводимо такі міркування. Оскільки амплітуда вихідної напруги диференційного каскаду невелика, то робочу точку можна вибрати у довільному місці непохилих ділянок статичних характеристик між лініями, а, б і в, г (рис. 1.7.2). Крутість характеристики транзистора залежить від струму Іс і при Іс <1,5 мА буде менша від значення, приведеного у довіднику. У той же час крутість характеристик практично не залежить від напруги на стоці, тому вся область характеристик, яка лежить між лініями, а, б, в, г і вище напруги на заслоні
UЗ =1,5 В є придатною для вибору робочої точки. Чим менший буде струм ІС у робочій точці, тим економніше працює каскад і тим більшою має бути напруга зміщення на заслоні U0З. Як бачимо, зі схеми каскаду (рис. 1.7.3), для створення автоматичного зміщення на заслоні й для живлення електронного резистора, потрібно використовувати частину напруги ЕЖ. Тому задаємось напругою зміщення U3 = 1 В, і будуємо навантажувальну характеристику по постійному струмові. Ця характеристика проходить через точку Ісmх й точку перетину вихідної характеристики для U3 = 1 В і з нормалю, що встановлена з точки U0C = 12 В. Тоді напруга живлення ДК дорівнює Uждк = 17 В, а UжЕР= 10 В. Графічно визначаємо І0с = 1,125 мА.
2.2.2. Розрахунок каскаду постійному струмові.
Перед початком проведення розрахунків по постійному струмові визначимо крутість характеристики транзистора в робочій точці (рис. 1.7.2):
мА/В (2.2.3)
Визначаємо опір резистора автоматичного зміщення:
Ом (2.2.4)
Потужність резистора R3(R6): РR3=(1,125·10-3)2·910=1,127 мВт.
Вибираємо езистор С2 - ЗЗН - 0,125 - 910 Ом ± 5%.
Опір резистора R2 (R5):
кОм (2.2.5)
Потужність резистора R2 (R5): PR2 = ( 1,125∙10-3 )2∙12700 = 15,3 мВт.
Беремо резистор типу С2 - 33Н - 0,125 – 1,3 кОм ± 5 %.
Опір резистора R1 (R7) беремо таким, щоби виконувалась нерівність (1.3.1), тобто R1 = 1,1 МОм.
Беремо резистор типу С2 - ЗЗН - 0,125 - 1,1 МОм ± 5 %.
Струм стоку ЕР у робочій точці дорівнює Iсоер=2,3 мА. Графічно визначаємо напругу на заслоні: U3 =0,3 В. Далі обчислюємо опір резистора R4 :
Oм (2.2.6)
Потужність резистора R4: РR4=(0,0023 )2∙130=0,687 мВт.
Вибираємо резистор типу С2 - ЗЗН - ОД25 - 130 Ом ± 5%
2.2.3. Розрахунок ємностей конденсаторів.
Ємності конденсаторів С1, С2 розраховуємо за виразом (2.1.14), попередньо розділивши коефіцієнт частотних спотворень каскаду між конденсаторами порівну:
ємність конденсатора С1:
нФ (2.2.7)
Вибираємо конденсатор типу KM - 6Б - Н90 – 2,7 нФ ± 10 %.
- ємність конденсатора С2:
нФ (2.2.8)
Вибираємо конденсатор типу KM - 6Б - Н90 - 33 нФ ± 10 %.
2.2.4. Розрахунок основних параметрів каскаду.
Оскільки вихідний каскад є навантаженням передкінцевого каскаду, то потрібно визначити його вхідний опір, вхідну ємність, а також уточнити коефіцієнт підсилення. Послідовність розрахунків згаданих вище параметрів проведена у такій послідовності :
вхідний опір каскаду:
Rbx=R1=1,1 МОм. (2.2.9)
- вихідний опір каскаду по змінному струмові можна розрахувати за такою формулою :
R ~ = (RС-1+ RВХ-1+ R2-1+ Х5-1)-1 (2.2.10)
де Хс - опір ємностей приведених до колектору на верхній частоті зрізу.
кОм (2.2.11)
R ~ = (12444-1+ 85000-1+ 18,6∙10-6+ 1000-1)-1=900 Ом
коефіцієнт підсилення за напругою :
КU2 ≈ S R ~ (2.2.12)
де R ~ - вхідний опір каскаду по змінному струмові.
КU1 =900∙0,0019=1,7
Значення коефіцієнта підсилення не перевищує допустимих10 %.
- вхідна ємність СВХ [1]:
Свх=CK∙KU1=1,7∙3,5=5,95пФ. (2.2.13)
2.3. Розрахунок частотних характеристик підсилювача.
Розглянемо вплив реактивних елементів (Ср) на коефіцієнт передавання. Зокрема, вхідна роздільна ємність конденсатора С1 , а також міжкаскадні роздільні ємності конденсаторів С2, С3 і ємність фільтра Сф2 (рис. 1.7.3), погіршують передавання сигналу, особливо у області низьких частот. Причиною спаду АЧХ на ділянці верхніх частот у RC каскадах, є наявність паразитної ємності колектора транзистора Сн. Ця ємність, ввімкнена паралельно навантаженню. Тому її малий опір, в області високих частот, шунтує опір навантаження.
Для усунення зворотного зв’язку по змінному струмові потрібно паралельно до електронного резистора ввімкнути конденсатор Се, ємність якого розрахуємо за такими співвідношеннями :
(2.3.1)
де Sн = S/(1+Rек.г/h11e) – наскрізна крутість БТ, тут Rек.г = Rвих.ДКІІ R3 .
Розв'яжемо (2.3.1) відносно Се, що дає:
мФ
Вибираємо конденсатор типу KM - 6Б - Н90 - 1,3 мФ ± 10 %.
Описані вище явища, відображені у виразі, за яким розраховується АЧХ і ФЧХ RC каскадів :
(2.3.1)
де τн і τв - часові сталі в області низьких і високих частот, відповідно.
τн = С1(RГ + RВХ.1) + С2(R5 + RВХ.2) + С3(R9 + RН) + СФ2RФ2 + СеRек.г=8,58∙10-4 с.
τв = СК4R22 + СК2R22 =6,72∙10-7 с.
Для визначення частотних характеристик проектованого підсилювача було використано програму Mathcad.
Рис. 2.3.1. Частотні характеристики проектованого підсилювача
Ширину робочої смуги проектованого підсилювача визначаємо за допомогою його АЧХ, що зроблено на рис. 2.3.1. Зокрема, для проектованого підсилювача ця смуга лежить у межах 200...200000 Гц. Тобто робоча смуга частот підсилювача відповідає заданій.
2.4 Перехідна характеристика проектованого підсилювача.
Перехідною характеристикою підсилювача називають залежність миттєвого значення вихідної напруга від часу, якщо вхідна дія змінюється стрибком. Перехідна характеристика визначає процес переходу підсилювача з одного стійкого положення до другого. Ця характеристика широко використовується для оцінки спотворень імпульсних сигналів.
Спотворення імпульсу, ділять на два види: спотворення, пов'язані з наростанням імпульсу, і спотворення його вершини. Перші оцінюються часом встановлення, другі - спадом вершини. У відповідності до сказаного розрізняють:
τP - час встановлення імпульсу; визначається часом наростання сигналу від рівня 0,1 до рівня 0,9 свого стаціонарного значення (переважно у мкс);
Δ - час спаду імпульсу; визначається як абсолютне відхилення стаціонарного значення імпульсу, на потязі часу дії.
Розрахунок перехідної характеристики проводимо за такими формулами :
Δ = е-τі/ τн - в області великих значень часу;
h(t) = 1 - еτі/ τв - в області малих значень часу.
Для побудови перехідної характеристики ми використовували ПК та програму Mathcad.
Рис. 2.4.1. Перехідна характеристика проектованого підсилювача: а - в області великих значень часу; б - в області малих значень часу.
По графіку (рис. 2.4.1, а) визначаємо спад вершини імпульсу:
Δ= 1-0,35=0,65
По графіку (рис. 2.4.1, б) визначаємо час наростання імпульсу:
δ = t0.1 – t0.9 =2,5∙10-6 -0,2∙10-6=2,3∙10-6 с.
3. РОЗРОБКА АНАЛОГА НА ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧАХ
3.1. Вибір схеми ввімкнення операційного підсилювача.
Розробку аналога підсилювача на інтегральних мікросхемах (ІМС) розпочнемо з вибору схеми ввімкнення ОП. Відомо, що ОП має два входи, а тому, відповідно, дві схеми ввімкнення (рис. 3.1.1).
Рис. 3.1.1. Схеми ввімкнення ОП: а - інвертуючий підсилювач;
б - не інвертуючий підсилювач
Вибір схеми залежить від велична вхідного опору каскаду на ОП. Згідно з (1.3.1) вхідний опір проектованого підсилювача рівній 10·Rr=1.1МОм. Таке значення може забезпечити схема не інвертованого ввімкнення ОП (інвертована схема використовується у випадках, коли виконується нерівність Rbx. < 10 кОм). Тобто не інвертовані схеми володіють більшим вхідним опором, завдяки послідовному ВЗЗ. Отже, першим каскадом у проектованому підсилювачі на ОП є не інвертований підсилювач.
3.2. Вибір типу ОП для проектованого підсилювача.
Вибір типу ОП проводиться, головним чином, за двома його параметрами: υ (В/мкс) -швидкість зростання вихідної напруги і f1 - частота одиничного підсилення.
Швидкість зростання вихідної напруги ОП зв'язана з граничною частотою, при якій забезпечується неспотворене підсилення великого вихідного сигналу, таким співвідношенням :
υ ≥ 2·π·U2m·fв.з., (3.2.1)
де U2m - напруга на виході ОП; fB 3. - частота верхнього зрізу.
Згідно із приведеною формулою, знаходимо для проектованого підсилювача швидкість наростання:
υ ≥ 2·π ·5·10000=3,1мкс υ ≥ 2π·8.6·200000 = 10,664 мкс/В.
Для проектованого підсилювача додатковим параметром будемо вважати коефіцієнт якості (коефіцієнт подавлення синфазної завади), а також вхідний опір ОП, який має бути не менший за умову (1.3.1). Вибираємо ОП типу К544УД2А з такими параметрами :
коефіцієнт підсилення, Кu > 20000
частота одиничного підсилення, f1 МГц 15 швидкість наростання вихідної напруги, υ, мкс/В 20
дрейф нуля, ΔU/ΔΤ, мкВ/°С 30 коефіцієнт подавлення синфазної завади, D, дБ 70 струм споживання, Ісп., мА 7 мінімальний опір навантаження, Rн, кОм 2 максимальна ємність навантаження, Сн , пФ 80
вихідний опір, Rвих, Ом 200 наявність внутрішньої корекції, так
напруга живлення, Uж, В ±15
3.3. Розрахунок числа каскадів підсилення й розподіл коефіцієнта підсилення.
Частота одиничного підсилення зв'язана із заданою частотою верхнього зрізу нерівністю :
(3.3.1)
де Кu - коефіцієнт підсилення напруги, який задається каскадові при розподілі підсилення по каскадах.
Максимальний коефіцієнт підсилення ОП на верхній частоті зрізу:
Κ =f1/fВ.З.. =15/0,2 = 75.
Як бачимо, один ОП не забезпечує потрібного підсилення, тому проводимо розподіл підсилення між каскадами так, щоб коефіцієнт підсилення кожного з каскадів був менший від максимально можливого, але не рівні між собою. Більше значення беремо для першого каскаду тоді: К1 = 16, К2 = 9. Схему ввімкнення другого каскаду визначаємо з таких міркувань. Вихідний сигнал підсилювача на дискретних елементах, знаходиться у фазі по відношенню до вхідного (два каскади підсилення). Вихідний сигнал першого каскаду на ОП є не інвертованим по відношення до вхідного (визначає схема ввімкнення ОП), тому й другий виконується за схемою не інвертованого підсилювача. Зв'язок між каскадами ємнісний. Схема для проведення розрахунків підсилювача на ОП приведена на рис. 3.3.1.
Рис. 3.3. 1. Принципова схема для проведення розрахунків
підсилювача на ОП
Розрахунки підсилювача на ОП проводимо за методикою, яку приведено нижче:
1) Опори резисторів R1, R2 і R5 рекомендовано приймати у межах 1...10 кОм. Приймаємо R1=R2=R5=4,7 кОм, що відповідає стандартній шкалі. Резистори вибираємо типу С2 – ЗЗН - 0,125 - 4,7 кОм ± 5 %.
2) Опір резистора R3 вибирається з умови R3 > 10·RГ = 1,1МОм.
Резистор вибираємо типу С2-ЗЗН-0, 125 – 1,1 МОм ± 5 %.
3) Величину опора резистора R4 розраховуємо, враховуючи коефіцієнт підсилення каскаду, який визначається за такою формулою:
...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора