Высококачественный усилитель переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

Факультет компьютерных технологий и информатики

Кафедра систем автоматизированного проектирования

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Высококачественный усилитель переменного тока»

Вариант 2

Выполнила: Бундина Л.А.

Студентка гр. 0301

Проверил: Соколов Ю.М.

Санкт-Петербург

2012

Содержание

Техническое задание

Теоретическое исследование

Исследование на основе инвертирующего РУ

Исследование на основе неинвертирующего РУ

Исследование усилителя на основе двух усилительных подсхем

Моделирование усилителя переменного тока в системе Multisim …

Усилитель с одной усилительной подсхемой

Усилитель с двумя усилительными подсхемами

Экспериментальное исследование усилителя переменного тока с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS

Усилитель на одном не инвертирующем РУ

Усилитель на одном не инвертирующем и инвертирующем РУ

Проектирование мощного выходного каскада усилителя

Список литературы

усилитель каскад ток

Техническое задание

Параметры	Значения
Коэффициент усиления в полосе пропускания Ku	1000
Нижняя граничная частота полосы пропускания , Гц	50
Верхняя граничная частота , кГц, не менее	20
Входное сопротивление, кОм	100
Постоянное напряжение на выходе Uвых В, не более	0,5
Максимальное выходное напряжение Uвых м В	10
Максимальный ток нагрузки Iн м А	1,2

Теоретическое исследование

Цель: ознакомление с принципами построения неинвертирующих и инвертирующих решающих усилителей, представляющих собой комплексную схему из операционного усилителя и внешних элементов, образующих цепь отрицательной обратной связи.

Исследование инвертирующего РУ

Усилитель аналогичен схеме инвертирующего РУ с разделительным конденсатором С1 на входе, представлен на рис.1.1 (ФГ - функциональный генератор, АБ - анализатор Боде).

Рис.1.1

На рис.1.2 представлены асимптотические ЛАФЧХ операционного усилителя (1) и усилителя переменного тока (2), где - частота среза ОУ; - соответственно верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания усилителя переменного тока, на которых модуль коэффициента усиления снижается на 3 дБ по сравнению с максимальным значением; - полоса пропускания усилителя.

Рис.1.2

Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя переменного тока в полосе пропускания определяются схемными функциями инвертирующего РУ.

; (1.1)

Частотная характеристика усилителя переменного тока в области нижних частот целиком формируется конденсатором С1, в области верхних частот она зависит от частотных свойств скорректированного ОУ, при этом граничные частоты определяются соотношениями

; (1.2)

Расчет.

Из соотношения R1==100 кОм;

R2 = |Ku|*R1 = 1000*100 кОм = 100 Мом

Сопротивление R2 очень большое, практически трудно реализуемо, следовательно в схеме рис.1.1 не удастся получить совместно большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление.

Исследование неинвертирующего РУ

Усилитель аналогичен схеме неинвертирующего РУ, конденсатор С2 используется для минимизации входного напряжения покоя усилителя, представлен на рис.2.1.

Рис.2.1

Частотная характеристика усилителя аналогично характеристике 2, представленной на рис.1.2. В полосе пропускания (С1 и С2 - к.з.) имеем частный случай неинвертирующего РУ.

При этом получаем: ; (2.1)

Нижняя граничная частота: (2.2)

Верхняя граничная частота fв зависит от инерционных свойств операционного усилителя и обратно пропорциональна коэффициенту усиления всего усилителя переменного тока.

Таким образом, при использовании одного неинвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления (100…1000) и большое (1…10МОм) входное сопротивление усилителя, но при этом существуют определенные трудности в реализации высокой верхней граничной частоты fв.

Расчет.

Выберем емкость: С1 = С2 = 1 мкФ

Из соотношения (2.2): R1 = = 1/(2*3.14*50*10-6) 3.185 кОм

Из соотношения (2.1) получаем: R3 = RВХ =100 кОм

R2 = (KU-1)R1 = (1000-1)3185 3.182 Мом

Конденсатор С1 становится «проходным» на более низких частотах, чем конденсатор С2, и тем самым практически не влияет на нижнюю граничную частоту

= 10/(2*3.14*1*1) = 1.592 Гц 1.6 Гц ,

Исследование усилителя на основе двух усилительных подсхем

Рис.3.1

От недостатка усилителя, изображенного на рис.2.1, свободна схема усилителя переменного тока, представленная на рис.3.1. Этот усилитель состоит из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на неинвертирующем РУ(DA1;R1;R2;R3), что позволяет обеспечить большое входное сопротивление усилителя переменного тока; входная подсхема представляет собой инвертирующий РУ(DA2;R4;R5) и используется для получения высокого коэффициента усиления KU всего усилителя переменного тока. В полосе пропускания:

(3.1)

Для получения наибольшей верхней граничной частоты усилителя (рис.3.1) целесообразно выбирать коэффициенты усиления инвертирующего и не инвертирующего РУ по модулю примерно одинаковыми. Нижняя граничная частота: (3.2)

Расчет.

Для инвертирующего РУ.

С1 = С2 = 1 мкФ.

R4 = = 1/(2*3.14*50*10^-6) 3.185 кОм

Для получения наибольшей частоты коэффициенты и должны быть примерно одинаковыми, тогда |Kuи| = = 31,6;

R5 = |Kuи| R4 = 31.63185 = 100,646 кОм

Для не инвертирующего РУ.

R3 = .

R1 = 1 кОм, тогда R2 = (Kuни-1)*R1 = 30,6 кОм

Конденсатор С1 становится «проходным» на более низких частотах, чем конденсатор С2, и тем самым практически не влияет на нижнюю граничную частоту :

= 10/(2*3.14*1*1) = 1.6 Гц ,

Моделирование усилителей переменного тока в сети Multisim

Усилитель с одной усилительной подсхемой.

Значения R1, R2, R3, С1 и С2 рассчитаны ранее, в разделе 1.2 (стр.5-6).

Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускания Ки, нижнюю граничную частоту полосы пропускания fн, верхнюю граничную частота fв для схемы, изображенной на рис. 4.1, и сравним полученные результаты с данными из задания на курсовое проектирование.

Рис. 4.1

Рис 4.2

Рис. 4.4

Кu=59,955 дБ ;

fн = 51,047 Гц;

fв = 1,527 кГц;

Как видно из полученных результатов, fв намного меньше заданной. Следовательно, схема усилителя на базе одного неинвертирующего РУ, представленная на рис. 4.1 не подходит, т.к. не удается получить необходимую верхнюю граничную частоту.

Усилитель с двумя усилительными подсхемами.

Значения R1, R2, R3, С1 и С2 рассчитаны ранее, в разделе 1.3 (стр.6-7).

Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускания Кu, нижнюю граничную частоту полосы пропускания fн, верхнюю граничную частоту fв для схемы, изображенной на рис. 5.1, и сравним полученные результаты с данными из задания на курсовое проектирование.

Рис. 5.1

Рис. 5.2



Рис. 5.3

Рис. 5.4

Кu=59,976 дБ ;

fн = 50,087 Гц;

fв = 29,285 кГц;

Как видно из полученных результатов, усилитель, состоящий из двух усилительных подсхем, имеет верхнюю граничную частоту fв намного больше по сравнению с усилителем с одним неинвертирующим РУ, а именно fв = 29.285 кГц. Полученная частота соответствует заданной по техническому заданию (fв должна быть не менее 20 кГц). Следовательно, схема усилителя переменного тока, представленная на рис. 5.1, подходит.

Экспериментальное исследование усилителя переменного тока с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS

Рис. 6.1

Рис. 6.2

Усилитель на одном неинвертирующем РУ

Верхняя граничная частота усилителя небольшая (см. рис. 6.2) и равна 997,63 Гц. При использовании одного неинвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление усилителя, но при этом возникают трудности в реализации высокой верхней граничной частоты. Как следует из частотной характеристики усилителя, чем выше коэффициент усиления усилителя переменного тока, тем меньше у него верхняя граничная частота.

Усилитель на одном неинвертирующем и одном инвертирующем РУ

Верхняя граничная частота усилителя на двух усилительных подсхемах намного больше верхней граничной частоты усилителя на одном неинвертирующем РУ (см. рис.7.1) и равна =31547,87 Гц. Это доказывает, что усилитель, построенный на неинвертирующем и инвертирующем РУ является наиболее высококачественным и эффективным за счет того, что одновременно обеспечивает большой коэффициент усиления, большое входное сопротивление и наиболее широкую полосу пропускания.

Рис. 7.1

Проектирование мощного выходного каскада усилителя

На рисунке 8.1 представлена схема усилителя на двух ОУ с мощным выходным каскадом (ВК). Для экономии места на рисунке не приведена усилительная подсхема (DA1; R1; R2; R3; С1).



Рисунок 8.1.

Выходной каскад (VT1-VT4; R6-R9) предназначен для получения большого тока нагрузки IНМ = 1,2 А. Интегральный ОУ 741 имеет максимальный ток нагрузки IНМ = 10-20 мА, что явно недостаточно для нашего усилителя. ВК усиливает только по току; по напряжению его коэффициент передачи близок к 1 (повторитель напряжения). Действительно, VT1 и VT3 по одному и VT2 и VT4 по другому пути - каскады с общим коллектором, не инвертируют, KU?1. ВК на рисунке 11 - двутактный каскад режима класса АВ.

При UВЫХ > 0 (полярность без скобок) VT3 - в активном усилительном режиме, VT4 - в отсечке, ток нагрузки IН течет по цепи: +UИП - коллектор-эммитер VT3 - R8 - RН - общая шина. При UВЫХ < 0 VT3 - в отсечке, VT4 - в активном усилительном режиме, ток нагрузки IН течет по цепи: общая шина - RН - R9 - эммитер-коллектор VT4 - -UИП. Наличие двух источников питания позволяет обеспечивать двухполярный диапазон изменения выходного напряжения -10B? UВЫХ ? 10В.

Режим класса АВ создается введением транзисторов VT1, VT2. Падение напряжения UAB = UЭБ1 + UЭБ2 ? 0.6 + 0.6 = 1.2 В приоткрывает транзисторы VT3 и VT4 при UВЫХ = 0. Через них течет некоторый начальный сквозной ток I0, при этом рабочая точка транзисторов VT3 и VT4 выводится на начало линейного участка, что минимизирует нелинейные искажения UВЫХ ВК и всего усилителя. Резисторы R8 и R9 необходимы для ограничения сквозного тока I0.

Расчет выходного каскада

Дано: UВЫХ.М = 10 В, IНМ = 1,2 А, вМИН = IК / IБ = 100 (для всех транзисторов). в - статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с общим эммитером. IЭ ? IК.

Определяем минимальное сопротивление нагрузки:

Сопротивление R6 выбираем из условия обеспечения напряжения UВЫХ.М = 10 В при IН = IНМ. В этом режиме через транзистор VT1 течет минимальный ток IЭ1.МИН. Зададимся минимальным током IЭ1.МИН = 2 мА. Меньше нельзя, транзистор теряет усилительные свойства. При этом в цепи базы VT3 течет максимальный ток

IБ3.М = Iнм / вМИН.З = 1.2 / 100 = 12 мА (IКз ? IЭз =Iнм)

IR6=IЭ1.МИН + IБ3.M= 2мА + 12мА= 14мА

В этом режиме из 2го закона Кирхгофа

Uип = UR6 + UЭБ.3 + UR8 +UВЫХ.М.

UЭБ.3= 0.8 В, UR8?0.2 В, UR6= Uип- UR8- UЭБ.3- UВЫХ.М.=15-0.2-0.8 -10=4В

R6= UR6 / IR6 = 4/ 14*10-3 ?286 Ом

Сопротивление в резисторах не более 3х значащих цифр, так как точность их изготовления - 5-10%. Аналогичным образом определим R7, R8 из условия обеспечения напряжения -UВЫХ.М = -10 В. IН = -IНМ = -1,2 А. вМИН.3 = вМИН.4.

R7 ?R6=286 Ом

IR8 ? Iнм=1.2 А R9= R8? UR8 / Iнм= 0.2 / 1.2 = 0,167 Ом

Максимальные мощности, рассеиваемые на элементах ВК.

Мощность рассеяния на коллекторе транзистора PK = IK*UКЭ, где IK - ток коллектора, UКЭ - напряжение коллектор-эммитер.

РКЗМ ? РК4М ? Uип2/(4*RН.МИН) = 152/(4*8.33) ?6,753 Вт

Транзисторы VT3, VT4 нужно устанавливать на теплоотвод, поскольку допустимая мощность рассеяния на транзисторе без теплоотвода как правило не превышает 2-4 Вт.

РК2М ? РК1М ? Uип2/R6 = 152/286 ?0,787 Вт

Транзисторы VT1 и VT2 можно использовать без теплоотвода.

Определим максимальную мощность на резисторе R6 при UВЫХ = -UВЫХ.М.

Uип = UR6М + UЭБ.1 + UЭБ2 -UЭБ.4 - UR9 -UВЫХ.М.

UR6М = Uип+ UВЫХ.М.+ UЭБ.4+ UR9- UЭБ.1 - UЭБ2= 15+10+0.8+0.2-0.6-0.6=24.8 Вт ? 25Вт

РR7М ? PR6М= UR6М2 / R6 = 252/286 = 2.185 Вт

РR9М ? PR8М= Iнм2 * R8 = (1.2)2*0.167 = 0.24 Вт

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта была спроектирована схема высококачественного усилителя переменного тока, состоящего из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на неинвертирующем РУ, что позволяет получить большое входное сопротивление; выходная подсхема реализуется на основе инвертирующего РУ, используется для получения высокого коэффициента усиления всего усилителя. Так же усилитель, основанный на двух усилительных подсхемах , позволяет получить высокую верхнюю граничную частоту.

Список литературы

1). Экспериментальное исследование аналоговых электронных устройств на базе N1 ELVIS: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Схемотехника» / Сост.: К. Г. Жуков, А. И. Ларистов, В. А. Михалков, Ю. М. Соколов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. 32 с.

2)Конспект практических занятий/ Ю.М. Соколов.

Размещено на Allbest.ru

...