ПІДСИЛЮВАЧІ НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ. Курсова робота з схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації. Робота № 527806

Перехід до торгівельного партнера Binance

ПІДСИЛЮВАЧІ НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Факультет:

ЗІ

Кафедра:

Захист інформації

Інформація про роботу

Рік:

2015

Тип роботи:

Курсова робота

Предмет:

схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА» Кафедра «Захист інформації» / КУРСОВА РОБОТА з дисципліни: «Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації» на тему: «ПІДСИЛЮВАЧІ НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ» Львів 2015 Зміст Вступ……………………………………………………………………..4 Теоретична частинa …………………………………………………….6 2.1 Емітерний повторювач………………………………………………...8 Основна частина…………………………………………………………9 Ескізний розрахунок структурної схеми………………………………9 Розрахунок вихідного каскаду………………………………………...11 Розрахунок підсилювального каскаду………………………………..14 Розрахунок каскадів на ОП……………………………………………17 Принципова схема підсилювача низької частоти…………………….20 Моделювання роботи схеми в програмі Micro – Cap………………...20 Висновок………………………………………………………………...21 Список використаної літератури………………………………………22 Перелік усіх розрахованих елементів………………………………….23 Технічне завдання Розрахувати підсилювач низької частоти, який би відповідав наступним вимогам: Потужність на навантаженні Рн=2,5 Вт; Опір навантаження Rн=100 Ом; Коефіцієнт гармонік Кг=5%; Нижня гранична частота fн=120 Гц; Верхня гранична частота fв=12 кГц; Допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті Мн=25дБ Допустимі частотні спотворення на верхній гранічній частоті Мв=25дБ Напруга вхідного сигналу Евх=10 мВ; Опір джерела сигналу Rдж=30 кОм; Діапазон регулювання вихідної потужності дБ; Температура навколишнього середовища Тос=+10–+60 Вступ Підсилювачі низької частоти (ПНЧ) призначені для підсилення неперервних періодичних сигналів в діапазоні від десятків герц до десятків кілогерц ( діапазон низьких частот). Сучасні ПНЧ виконують переважно на біполярних та польових транзисторах в дискретному та інтегральному виконанні в поєднанні з операційними підсилювачами (ОП). Призначенням ПНЧ є отримання на заданому опорі кінцевого навантажувального пристрою потрібної потужності сигналу,який підсилюється. В якості джерела вхідного сигналу для ПНЧ можуть використовуватися такі пристрої як звукознімач, мікрофон, термопара, остектор , детектор і т. д. Типи навантажень також різні. Ними можуть бути гучномовець, вимірювальний пристрій, головка запису магнітофона, осцилограф реле і т.д. Як правило, джерела вхідного сигналу для ПНЧ мають низьку напругу, тому подавати її безпосередньо на вхід каскаду підсилення потужності немає сенсу, бо при малій напрузі управління неможливо отримати потрібне підсилення до вихідної потужності. Тому в схему ПНЧ включають каскади попереднього підсилення. Кількість цих каскадів визначається технічними умовами для даного ПНЧ по вихідній потужності та якості сигналу. Основними технічними показниками ПНЧ є коефіцієнти підсилення (по напрузі, по струму, по потужності) , вхідний та вихідний опір, вихідна потужність, коефіцієнт корисної дії, номінальна вхідна напруга (чутливість), діапазон частот, які підсилюються, динамічний діапазон амплітуд та рівень власних завад, а також показники, які характеризують нелінійні, частотні та фазові спотворення сигналу. Проектування попередніх каскадів ПНЧ здійснюють аналогічно широкополосним підсилювачам. При цьому розрахунки спрощуються, так як на низьких частотах параметри використовуваних операційних підсилювачів характеризуються не комплексними а дійсними величинами. Попередній розрахунок широкополосним підсилювачів полягає у виборі операційного підсилювача, орієнтованого визначення кількості каскадів і приблизному розподілені по каскадах частотних спотворень, так щоб їх сумарна величина не перевищувала задану в технічному завданні. Деколи необхідно розподілити частотні спотворення нерівномірно по каскадах, що дозволяє послабити вимоги до одного з них, частіше всього до кінцевого. Схему живлення каскадів вибирають виходячи із заданої стабільності і діапазону зміни температури оточуючого середовища. При орієнтованості на інтегральне виконання підсилювача намагаються виключити зі схеми індуктивні елементи, конденсатори і резистори з великими номіналами, що споживають велику потужність, мають значні паразитні параметри, займають багато місця, впливаючи на габарити і масу приладу. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА При проектуванні і розрахунку багатокаскадних підсилювачів необхідно вирішувати ряд питань, які не зустрічаються при розгляді окремого підсилювального каскаду. До них відносяться: коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача за напругою, сумування спотворень сигналу, які вносять окремі каскади і кола підсилювачів, захист від міжкаскадних паразитних зв’язків, визначення вимог до джерела живлення за напругою живлення та за споживаним струмом. Коефіцієнт підсилення напруги, струму і потужності багатокаскадного підсилювача К виражається у відносних одиницях і дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення окремих каскадів:/ де К1, К2, К3... – коефіцієнти підсилення першого, другого, третього і т.д. каскадів підсилювача. Якщо коефіцієнти підсилення виражені в логарифмічних одиницях (децибелах), то коефіцієнт підсилення багатокаскадного підсилювача визначається сумою коефіцієнтів окремих каскадів: К [дБ] = К1 [дБ] + К2 [дБ] + К3 [дБ] +.... Вказане правило справедливе і для коефіцієнта частотних спотворень М: М [дБ] = М1 [дБ] + М2 [дБ] + М3 [дБ] + ... Розподіл заданих (допустимих) на підсилювач частотних спотворень проводять між каскадами таким чином, щоб при невисокій вартості і невеликих розмірах деталей схеми забезпечувались необхідні параметри ПНЧ. Частотні спотворення на нижній і верхній граничній частоті для різних каскадів підсилювача доцільно розбивати наступним чином: В ділянці НЧ, дБ В ділянці ВЧ, дБ Вхідний каскад Проміжний каскад Вихідний каскад Всього 0,05 ... 0,2 0,1 ... 1 2 ... 2,5 3 0,1 ... 0,5 0,5 ...1,5 1,0 ... 2,5 3 Необхідно відзначити, що в межах одного каскаду частотні спотворення на нижній частоті НЧ додатково розбиваються між елементами, які їх вносять. У вхідних каскадах доцільно використовувати схему каскаду на біполярному транзисторі, ввімкненому за схемою зі СК (емітерному повторювачі), вхідний опір якого можна забезпечити в межах 5 ... 100 кОм при коефіцієнті підсилення за напругою в межах 0,9 ... 0,95, або схему каскаду на польовому транзисторі, ввімкненому за схемою зі СС (витоковому повторювачі), вхідний опір якого можна забезпечити в межах 100 кОм ... 5 МОм при коефіцієнті підсилення за напругою в межах 0,7... 0,9. Такий великий вхідний опір витокового повторювача є достатнім для найбільш високоомних джерел сигналів. Можливим є використання для вхідного каскаду схем на біполярних транзисторах з місцевим зворотнім зв’язком. Проміжний підсилювач складається з одного або декількох каскадів попереднього підсилення, призначенням яких є підсилення напруги, струму, потужності сигналу до величини, необхідної для подачі сигналу на вихідний каскад. Основна вимога до кожного каскаду попереднього підсилення полягає в отриманні максимального підсилення, оскільки це забезпечить мінімальну кількість каскадів. Якщо джерело сигналу має достатньо потужний для подачі на вхід вихідного каскаду сигнал, попередній підсилювач не потрібний. Проміжний підсилювач найбільш доцільно виконувати за схемою зі СЕ. Вихідний підсилювач, призначений для подачі в навантажування сигналу необхідної потужності. Він може бути виконаний, наприклад, за схемою двохтактного емітерного повторювача на транзисторах різного типу провідності, або за схемою емітерного повторювача. Вибір робочої точки транзисторів вихідного емітерного повторювача на транзисторах різного типу провідності може здійснюватися за допомогою резисторів, термістора (резистора з від’ємним температурним коефіцієнтом опору), діодів, транзисторів у діодному виконанні, стабілізатора на транзисторі. Якщо потужність вихідного сигналу і розмах вхідного сигналу невеликі, то вихідним каскадом може бути попередній каскад. Емітерний повторювач Каскад з СК можна розглядати як каскад з СЕ при RК = 0 і опором у колі емітера, не зашунтованим конденсатором СЕ. У результаті в схемі діє стопроцентний послідовний негативний зворотний зв’язок за струмом, що знижує коефіцієнт підсилення за напругою до одиниці (реально він становить навіть менше одиниці) і водночас збільшує вхідний опір та зменшує вихідний. Цей каскад не інвертує вхідний сигнал, бо зі збільшенням миттєвих значень струму колектора миттєві значення напруги на навантаженні, ввімкненому у коло емітера, також збільшуються. При цьому зміни струму колектора пропорційні змінам вхідної напруги, а фази вхідного і вихідного сигналів співпадають. Через відсутність підсилення і інверсії цей каскад ще називають емітерним повторювачем напруги. Вхідний опір каскаду з СК значно більший, ніж у схемі з СЕ, і приблизно може бути визначений за формулою . Вихідний опір каскаду з СК становить де rЕ – диференційний опір емітерного переходу, що для біполярних транзисторів складає від одиниць до десятків ом. Вказані властивості каскаду з СК дозволяють використовувати його у тих випадках, коли необхідно узгодити джерело сигналу, що має великий внутрішній опір, з низькоомним навантаженням. При цьому забезпечується також підсилення сигналу за потужністю за рахунок підсилення каскадом з СК струму. ОСНОВНА ЧАСТИНА Ескізний розрахунок структурної схеми Визначаємо напругу на навантаженні: В Розрахуємо необхідний коефіцієнт підсилення підсилювача за напругою: Значення напруги живлення вихідного каскаду знаходимо за формулою. В Вибираємо живлення із стандартного ряду В. При проектуванні схеми будемо орієнтуватися на використання операційних підсилювачів широкого вжитку типу К140УД6А з наступними основними параметрами: Таблиця 1 – Параметри операційного підсилювача К140УД6А Тип ОП ЕЖ В RH кОм IСП мА ( В/мкс К0 FT мГц UH B К140УД6А ±15 1 3 2,0 50000 1 12 / Рис 1 АЧХ К140УД6А Визначаємо максимальний коефіцієнт підсилення операційного підсилювача за напругою, який можна отримати на верхній граничній частоті: Попередній підсилювач низької частоти може бути повністю виконаний на операційних підсилювачах. якщо виконуються дві умови: RН>RНОП та UН<UНОП RНОП – допустиме навантаження операційного підсилювача, та UНОП – допустима напруга вихідного сигналу операційного підсилювача. Згідно з даними твердженнями перша умова RН>RНОП не виконується, оскільки RH = 100 Ом; RHOП = 2 кОм. Тому на виході схеми використовується двотактний емітерний повторював на транзисторах різного типу провідності. Друга умова UH < UHOП також не виконується, оскільки UH = 16 В, UHOП = 10 В. Тому на виході перед емітерним повторювачем повинен бути використаний каскад на транзисторі, ввімкненому за схемою зі СЕ. Використовуємо на виході схеми каскади, виконані на транзисторах VT3, VT4 і VT5. Розрахунок вихідного каскаду У відповідності з рекомендаціями розподіляємо частотні спотворення в ділянці нижніх частот між каскадами наступним чином: МН1ДБ = 0,5 дБ; МН2ДБ = 0,5 дБ; МН3ДБ = 1,0 дБ; МН4ДБ = 1 дБ, тобто МНДБ = 3 дБ. У відповідності з методикою, розраховуємо номінальні величини елементів та вибираємо режими роботи вихідного емітерного повторювача. IH4 = UH/RH = 16 / 100 = 0,16 А. IК04 = (0,05...0,15) IH4 = (0,05...0,15) 0,16 = (8…25) мА. Вибираємо IК04 = 20мА. Для вихідного каскаду вибираємо транзистори VT4 та VT5 типу КТ339А та КТ341А з наступними параметрами: Таблиця 1 – Параметри транзисторів КТ815Б та КТ814Б UКД = 25 В, IКД = 25 мА, РКД = 860 Вт, h21Е = 25...80, CК = 2 пФ, ( = 2500 пс, FT = 300 МГц, / Рис.3 ВАХ КТ339А / Рис.3 ВАХ КТ341А Для транзистора КТ339А типу VT4 знайдемо максимальний струм бази. Обчислення максимального струму бази проводимо при використані транзисторів з параметрами: мА. Отже, =4 мА. Відомо що IД04 = IК03, тоді мА. З даних розрахунків вибираємо середнє значення IД04 = IК03 = 30 мА. Знаходимо вхідний опір транзистора вихідного емітерного повторювача: Ом. Ом. Ом RВХ4 = h11E4 =5900 Ом. Розраховуємо частотні спотворення вихідного емітерного повторювача на верхній граничній частоті: Ом. пФ. кГц. Знаючи вхідний опір транзистора вихідного емітерного повторювача, обчислюємо коефіцієнт підсилення вихідного каскаду за напругою: . Нам необхідно визначити амплітуду вхідного сигналу вихідного каскаду: В. Вихідний опір вихідного каскаду: Ом. При відомому вихідному опорі розраховуємо номінальне значення ємності розділювального конденсатора на виході: мкФ. Значить Ср=10 мкФ. Обчислюємо потужність розсіювання на колекторі одного транзистора, для перевірки чи дані транзистори можна використовувати у схемі: Вт. Оскільки РК4 = 9,5 Вт < РКД = 10 Вт, тоді ці транзистори можуть використовуватися в даній схемі. Знайдемо потужність, яка споживається від джерела живлення: Вт. Розраховуємо частотні спотворення на верхній граничній частоті, які вносяться навантаженням: , Ом, мкФ. МГц ; Розрахунок підсилювального каскаду Для вибору початкового режиму роботи транзисторів вихідного каскаду використовуємо діоди VД1 і VД2 типу КД503А. У відповідності з методикою, розраховуємо номінальні величини елементів та вибираємо режими роботи підсилювального каскаду. Оскільки підсилювальний і вихідний каскади з’єднані за постійною складовою (струм дільника, який протікає через діоди, є одночасно струмом силою IКО3, а опір резистора R11 є опором колекторного навантаження транзистора VT3, то вихідними даними для подальшого розрахунку є: кОм; UH3 = UВХ4 = 16,3 В. Опір резистора емітерної стабілізації: Ом. Вибираємо R12 = 300 Ом. Напруга на базі транзистора VT3 по відношенню до загальної шини: В. Для проміжних та вхідного каскадів використовуємо транзистори типу КТ3102 з наступними параметрами: UКД = 30 В; ІКД = 150 мА; РКД = 250 мВт; h21E = 200…500 CK = 6 пФ; ( = 100 пс; FT =250 МГц; ІОК = 0,1 мкА. / Рис 1.3. ВАХ КТ3102 Розраховуємо струм бази транзистора в статичному режимі: Вибираємо струм дільника базового зміщення та розраховуємо номінальні значення опорів дільника: мкА. Вибираємо IД03 = 200 мкА. кОм. Вибираємо R9 = 175 кОм. 85 кОм. Вибираємо R10 = 85 кОм. Розраховуємо вхідний опір другого проміжного каскаду: Ом, Ом, Ом. Ом. Вихідний опір каскаду: Ом. Коефіцієнт підсилення каскаду за напругою: А/В. Необхідна амплітуда вхідного сигналу: мВ. Частотні спотворення вихідного каскаду на верхній граничній частоті: кГц; Ом. нФ. Розраховуємо опір колекторного навантаження транзистора VT3: Ом. Вибираємо R13 = 200 Ом. Частотні спотворення третього каскаду на нижній граничній частоті розподіляємо між конденсаторами Сн та С8: дБ, МНС6 = 1,059. мкФ. Значення ємності блокувального конденсатора С8 в колі емітера визначається з урахуванням місцевого зворотного зв’язку за рахунок додаткового резистора RE: мФ. Вибираємо C8 = 16,8 мФ. Розрахунок каскадів на операційному підсилювачі Коефіцієнт підсилення за напругою вихідних каскадів на транзисторах становитиме: Вхідний опір каскаду на транзисторі RBX3 = 1.6 кОм. Амплітуда вхідного сигналу для вихідних каскадів UBX3 = 866 мВ, що є меншим амплітуди сигналу на виході операційного підсилювача. Визначаємо кількість каскадів на операційному підсилювачі, необхідних для забезпечення заданого коефіцієнта підсилення К = 17320: Отже необхідно використати два каскади на операційних підсилювачах. Повна принципова схема підсилювача низької частоти з використанням операційних підсилювачів наведена на рис. 1.4 Каскад на операційних підсилювачах виконуємо за схемою з послідовним зворотним зв’язком за напругою. Значення опору резисторів, які з’єднують неінвертуючий вхід операційного підсилювача з загальною шиною вибираємо з умови: КOм. Вибираємо R2 = 300 кOм. З метою забезпечення мінімального дрейфу вихідного сигналу: R4 = R2 = 300 кOм. Резистор R1 захищає вхід операційного підсилювача від перевантаження в момент ввімкнення схеми. У відповідності з рекомендаціями по використанню операційних підсилювачів опори цих резисторів вибирають в межах 2...20 кОм. Вибираємо R1 = R5 = 10 кОм. Для загального коефіцієнта підсилення за напругою вхідного каскаду на операційному підсилювачі з урахуванням дії місцевого від’ємного зв’язку використовується формула: оскільки R4 = R8 і R3 = R7 За допомогою цієї рівності визначаємо значення опору резистора R3, який забезпечує необхідний коефіцієнт підсилення каскаду: кОм. . Отже, вибираємо R3 = R7 = 7 кОм. Розподіляємо частотні спотворення на нижній граничній частоті між розділювальними та блокувальними конденсаторами. Частотні спотворення для конденсаторів С3 та С4 враховані при розрахунку МНС4 = МНС3 = 0,5 дБ. Допустимі частотні спотворення на нижній граничній частоті становлять МНДБ = 3 дБ. Залишок допустимих частотних спотворень розподіляємо між конденсаторами С1, С2, С3 та С4: дБ, . Розрахуємо номінальні значення ємностей розділювальних конденсаторів: нФ мкФ. нФ. Отже, за формулами ми знайшли конденсатори: С1 = 10 нФ, С2 = С4 =6 мкФ та С3 = 12нФ. Необхідно відмітити, що живлення вихідного каскаду здійснюється від двох джерел з напругою +40 В та –40 В, а живлення операційного підсилювача забезпечується двома джерелами з напругою +15В та –15 В. При відомій граничній частоті підсилення FB = 12 кГц та амплітуді вихідного сигналу операційного підсилювача UH3 = 16,3 мВ визначаємо, яку швидкість наростання повинен мати використовуваний операційний підсилювач: В/мкс. Вибраний операційний підсилювач має швидкість наростання вихідного сигналу ( = 1В/мкс, яка є більшою від розрахованої, тому його можна використовувати в проектованій схемі. ПРИНЦИПОВА СХЕМА ПІДСИЛЮВАЧА НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ / Рис.3.1 Принципова схема підсилювача в програмі Microcap. МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ СХЕМИ В ПРОГРАМІ MICROCAP / Рис.4.1 Частотний аналіз роботи підсилювача в програмі Microcap. Висновок В даній роботі був розрахований підсилювач низької частоти, який складається з каскаду на операційному підсилювачі, та вихідного каскаду – двотактного емітерного повторювача та перед виходом ми розмістили каскад на транзисторі ввімкнений за схемою зі спільним емітером. Каскади були спроектовані з урахуванням частотних спотворень для забезпечення відповідного рівня сигналу на виході. Робота даного підсилювача була змодельована в програмі Micro-Сap із визначенням частотних характеристик та аналізу перехідних процесів, в результаті чого ми пересвідчилися у забезпеченні необхідного рівня підсилення підсилювача. Під час виконання курсової роботи я навчився вибирати та розраховувати структурну та принципову схеми підсилювача, розраховувати основні параметри структурної схеми, вибирати підсилювальні елементи та їх статичні режими, визначати динамічні показники та частотні характеристики, вибирати операційні підсилювачі у відповідності з заданими параметрами підсилювача низької частоти. Список використаної літератури Дудикевич В.Б., Кеньо Г.В. “Електроніка та мікросхемотехніка”, Львів, НУЛП, 2010. Цыкина А.В. Электронные усилители.-М.:Радио и связь, 1982-228 Войшвилло Г.В. Усилительныеустройства. Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1983. Мандзій Б.А., Желяк Р.І. Основи аналогової мікросхемотехніки. Посібник для студентів радіотехнічних спеціальностей вузів України. /Під ред. д.т.н., проф. Мандзія Б.А., - Львів, (Тезаурус(, 1993. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник /А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1989. – 384 с. http://elektrikaetoprosto.ru/trans.html http://www.dectel.ru/analogues/transist/kt3107.shtml http://mosfet.data-chip.ru/f/vtep02-1 http://www.anod-master.ru/tranzistor-13003-analog-datasheet-tsokolevka-parametryi-zamena.html Перелік усіх розрахованих елементів. Позначення Найменування К-сть Примітка Конденсатори C1 К50 –35 – 16В – 10 нФ±5% 1 С3 К50 –35 – 16В – 12 нФ±5% 1 C2, C4 К50 – 16 – 25В – 180 нФ±5% 2 Cр К50 – 16 – 25В –32 мФ±5% 1 C8 К50 –35 – 16В – 91 мкФ±10% Резистори Rdz C2-23-0,25-30 кОм ± 5 % 1 R1 C2-23-0,25-10 кОм ± 5 % 1 R2 C2–23–0,25 – 300 кОм ± 5% 1 R3 C2–23–0,25 – 7 кОм ± 10% 1 R4 C2–23–0,25 – 300 кОм ± 5% 1 R5 C2– 23–2 – 10 кОм ± 5% 1 R6 C2– 23–2 – 300 кОм ± 5% 1 R7 C2-23-0,25-7 кОм ± 10 % 1 R8 C2-23-0,25- 200 кОм ± 5 % 1 R10 C2-23-0,25-85 кОм ± 10 % 1 R11 C2-23-0,25-610 Ом ± 5 % 1 R12 C2-23-0,25- 300 Ом ± 5 % 1 R13 C2-23-0,25-200 Ом ± 5 % 1 Мікросхеми DA1, DA2 К140УД6А(MC1456) 2 Транзистори VT1 КТ339А(ZTX1047A) 1 VT2 КТ341Б(ZTX1147A) 1 VT3 КТ3102(BC546A) 1 Діоди D1,D2 КД503А(KD503A) 2 Рис.5.1 Перевірка розсіювання потужності на резисторах в програмі Microcap. /

Курсова робота схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації

Donki

29.03.2016 08:03-

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись