Проектирование усилителя электрических сигналов первичных измерительных преобразователей систем автоматического управления
Расчёт оконечного каскада. Выбор транзисторов по допустимой мощности рассеяния на коллекторе и максимальной амплитуде коллекторного тока. Выбор источника питания и расчёт входного сопротивления. Определение статического и динамического токов.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.06.2015 |
| Размер файла | 563,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МО УКРАИНЫ
Севастопольский государственный технический университет
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
“Проектирование усилителя электрических сигналов первичных измерительных преобразователей систем автоматического управления”
Севастополь 1999 год
Содержание
1. Техническое задание
2. Введение
3. Постановка задачи
4. Выбор элементной базы
5. Расчет оконечного каскада
6. Расчет предоконечного каскада
7. Расчет входного каскада
8. Расчет межкаскадных связей
9. Расчет надежности
10. Заключение
11. Литература
12. Приложение 1
13. Приложение 2
14. Приложение 3
15. Приложение 4
ВВЕДЕНИЕ
Усилители звуковой частоты предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Современные УНЧ выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении. Назначение УНЧ в конечном итоге состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала.
В качестве источника входного сигнала УНЧ могут использоваться такие устройства как микрофон, звукосниматель, фотоэлемент, термопара, детектор и т.д. Типы нагрузок также весьма разнообразны. Ими могут быть громкоговоритель, измерительный прибор, записывающая головка магнитофона, последующий усилитель, осциллограф, реле и т.д. Большинство из перечисленных выше источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при таком слабом управляющем напряжении невозможно получить сколько-нибудь значительное изменения выходного тока, а следовательно, и выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность полезного сигнала в нагрузку, как правило, входят предварительные каскады усиления. Основными техническими полазателями УНЧ являются: коэффициенты усиления (по напряжению, току и мощности), входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, динамический диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Расчет любого сложного электронного устройства (ЭУ) сводится к последовательному расчету функциональных элементов. Расчет ЭУ, состоящего из ряда последовательно соединенных функциональных элементов, начинают со стороны его выхода, с конца. Выходной функциональный элемент - единственный в ЭУ, для расчета которого в техническом задании сформулированы достаточные требования. Расчет ЭУ часто имеет итерационный характер. После выполнения ряда расчетных операций возникает необходимость повторить предыдущие операции для улучшения структуры или режимов всего ЭУ или его функциональных частей. Например, расчет может показать необходимость введения дополнительных обратных связей, что, собственно, потребует повторения некоторой части расчетов.
Детальному расчету функциональных элементов должны предшествовать ориентировочный расчет значений выходных параметров тех функциональных элементов, которые определяют значение выходных параметров всего ЭУ. Это позволяет достаточно быстро оценить практическую возможность их реализации. Например, перед тем как рассчитывать каскады многокаскадного усилителя, необходимо распределить между ними все виды искажений, определить их коэффициенты усиления и полосы пропускания. Если полученное значения представляются достижимыми, то можно переходить к расчету функциональных элементов.
При проектировании ЭУ наиболее часто выполняют:
а) ориентировочный расчет выходных параметров функциональных элементов, производимых при выборе их принципиальных схем;
б) расчеты, на основе которых выбирают типы активных электрорадиоэлементов;
в) расчеты рабочих режимов активных ЭРЭ, включая расчет температурной нестабильности;
г) расчет значений параметров R,C,L пассивных ЭРЭ, обеспечивающих выбранные режимы активных ЭРЭ, а также расчет протекающих через пассивные ЭРЭ токов, падающих на них напряжений и рассеиваемых ими мощностей;
д) определение номинальных значений параметров пассивных ЭРЭ и выбор их типов;
е) расчет выходных параметров ЭУ с целью проверки их соответствия требованиям технического задания. Задача анализа наиболее ответственная, его результаты должны быть достаточно точными. Поскольку аналитические методы не обеспечивают требуемой точности, анализ электронных схем чаще производится или на физической модели, или на ЭВМ.
ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Предположительно усилитель низких частот будет реализован на трёхкаскадной структуре. Оконечный каскад я предварительно я планирую реализовать на паре комплиментарных транзисторов со схожими характеристиками и близкими по значению параметрами.
Предоконечный каскад, является связующим между оконечным и входным, так как может быть, что входное сопротивление оконечного каскада будет очень мало. Предоконечный каскад будет реализован на базе какого-нибудь транзистора. Входной каскад будет основываться на ИМС, которая будет выбрана в ходе расчётов.
Между полученными каскадами я размещу разделительные конденсаторы, чтобы предотвратить попадание постоянных составляющих из одного каскада в другой.
1. расчёт оконечного каскада
1.1 Выбор транзисторов, по допустимой мощности рассеяния на коллекторе, и максимальной амплитуде коллекторного тока
Pmax(0.250.3)Pвых Рmax(0.2750.33) (Вт)
По этим параметрам выбираем транзисторы для оконечного каскада:
КТ814А и КТ815А ниже приведены их параметры:
Ikmax = 1.5 (A) Uкэmax = 25 (B)
Pkmax = 1 (Bт) h21 = 40 70
1.2 Выбор источника питания
Е 2(Uнач + U mн) = 9 (B) Еп 2(0,5 + 3,92)=8,84 (В)
Еп 8,84 (В) следовательно выбираем питание Еп=9 (В)
1.3 Графоаналитический метод
Uкэ= Еп/2=9/2=4,5 (B) Iк=Еп/2Rн=9/(2*7)=0,64 (A)
В системе координат выходной характеристики строим треугольник мощности: прямая Uнач. отсекает область существенной нелинейности токов базы, от Uнач. откладываем величину Uкэ, затем соединяем точки Iк и Uкэ. Далее строим Рк доп- нагрузочная кривая, которая в данных расчётах не должна заходить в область треугольника мощности, но максимально приближаться к нему. Из этого следует, что транзисторы работают без радиаторов.
РИС.1Семейство выходных характеристик транзистора КТ814(815)А
РИС.2 Входная характеристика транзистора КТ814(815)А
1.4 Определяем рабочую область по входной характеристике
Iбmin=0,25 (mA) Uэб0=0,7 9 (B)
Iбmax= 15 (mA) Uэбmax=0,87 (B)
Imб= 14,75 (mA) Umб=0,17 (B)
1.5 Определяем глубину ООС
F=1+g21*Rн,
где g21 усреднённая крутизна характеристики транзистора.
F=1+3,29 *7=24,03
1.6 Рассчитаем делитель напряжения для выходного каскада:
Iдел=(35)Iб0; Iдел=(0,751,25) (mA)
Следовательно выбираем ток делителя равный Iдел=0,75 (mA)
согласно ряда Е24
Iдиода= Iдел+Iб0; Iдиода=0,75+0,25=1 (mA)
При этих токах падение напряжения на диодах должно составлять: 2 Uэб0=1.4 [B]
Включение двух диодов КД-514А последовательно, обеспечат требуемое падение напряжения.
РИС.3 Вольтамперная характеристика диода КД-514А.
1.7 Расчёт входного сопротивления с учётом ООС
каскад транзистор ток сопротивление
; где ;
1.8 Рассчитаем амплитудные значения на входе
; ;
1.9 Построим сквозную характеристику
Выбираем Rг=150 (Om)
|
Iб, (mA) |
Iк, (mA) |
Uэб, (B) |
Iб* Rг (B) |
Eб= Iб * Rг + Uэб, (B) |
|
|
0.25 |
20 |
0.7 |
0,0375 |
0,737 |
|
|
1 |
65 |
0,77 |
0,15 |
0,92 |
|
|
2 |
130 |
0,8 |
0,3 |
1,1 |
|
|
5 |
305 |
0,83 |
0,75 |
1,58 |
|
|
7 |
380 |
0,85 |
1,05 |
1,9 |
|
|
10 |
480 |
0,86 |
1,5 |
2,36 |
|
|
15 |
560 |
0,87 |
2,25 |
3,12 |
По сквозной характеристики определяем:
I1=560 (mA)
I2=360 (mA)
Отсюда следует:
Задаём коэффициент асимметрии плеч который равен Х=0.5, тогда коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике:
РИС.3 Сквозная характеристика.
С учётом ООС:
Коэффициент передачи для предоконечного каскада:
2. РАСЧЁТ ПРЕДОКОНЕЧНОГО КАСКАДА
2.1 Определяем сопротивление резистора Rк
R3= Rк (0.2 0.3) Rвых = 0.25*24662 (Ом),где Rвых = Rвх.ок.
2.2 Определяем сопротивление резистора Rэ
Rэ =R4= 0.5*Rк= 0.5 * 62= 33 (Ом)
2.3 Определяем статический и динамический токи
На основании этих данных выбираем транзистор КТ610А.
Uэкmax=20 (В) Iкmax=300 (mA)
На семействе выходных характеристик строим статическую нагрузочную прямую.
РИС.4 Семейство выходных характеристик КТ610А
Положению рабочей точки будет соответствовать точка пересечения прямой
Uэк=Uэк0+Umвх=4,37(В)
и статической нагрузочной прямой. Этому требованию соответствует точка А с координатами:
Uэк=4,37(В) Ik=47,5 (мА) Iб=0.5 (мА).
Строим динамическую нагрузочную прямую с координатами
Ik=109 (мА) и Uэк= Uэк0+ 2Um вх=8,24 (В)
Статическая и динамическая нагрузочные прямые пересеклись в точке А, полученное значение Iб=0.5 (мА) позволяет найти точку А на входной характеристике.
РИС.5 Входная характеристика транзистора КТ610А
2.4 Для нахождения Rвх, проведем касательную к точке покоя А и найдем Rвх.пр
как соотношение:
MK=0,055 (B); KА=0,5 (мA);
= 110 (Ом)
2.5 Рассчитаем коэффициент передачи ООС
2.6 Рассчитаем глубину ООС
где коэффициент усиления каскада по напряжению на средних частотах определяется по формуле:
Определяем по выходной характеристике:
Iк=63-26=37 (mA) Iб=0,5 (mА)
Следовательно:
А=1+0,22*55=13
2.7 Находим входное сопротивление предоконечного каскада с учётом ООС
2.8 Находим амплитуду тока и напряжения на входе предоконечного каскада
2.9 Определим элементы делителя напряжения в цепи базы
Находим напряжение, подводимое к делителям R1 и R2.:
Uд = Eп=9 (B)
Выбираем ток делителя из условия:
Iдел=(25)Iбр ; Iдел=3,5 *0,5=1,75 (mA) Iбр=0.5(mA)
Падение напряжения на резисторе R4 :
; Uбр=0,75 (В)
; ;
2.10 Рассчитаем искажения в предоканечном каскаде, для построим сквозную характеристику
Eб = Uэб + IбRг= Uэб + 0.5IбRвх.оос= Uэб + 710Iб
Rг=710 (Ом)
|
Iб, (mA) |
Ik, (mA) |
Uэб, (B) |
IбRг, (B) |
Eб, (B) |
|
|
0.05 |
5 |
0.678 |
0.035 |
0.713 |
|
|
0.12 |
19 |
0.69 |
0.0851 |
0.775 |
|
|
0.25 |
27.5 |
0.715 |
0.178 |
0.893 |
|
|
0.38 |
37.5 |
0.732 |
0.27 |
1.002 |
|
|
0.5 |
47.5 |
0.75 |
0.355 |
1.105 |
|
|
0.62 |
55 |
0.762 |
0.44 |
1.202 |
|
|
0.75 |
65 |
0.772 |
0.533 |
1.305 |
|
|
0.87 |
72.5 |
0.78 |
0.618 |
1.398 |
|
|
1 |
82.5 |
0.787 |
0.710 |
1.497 |
РИС.6 Сквозная характеристика.
По сквозной характеристике определяем:
а=35
b=42.5
c=35
Определим коэффициент нелинейных искажений с учетом ООС:
Находим общий коэффициент нелинейных искажений для оконечного и предоконечного каскадов:
3. РАСЧЁТ ВХОДНОГО КАСКАДА
3.1 Для реализации УНЧ выбираем микросхему КР538УН3 - одноканальный сверхмалошумящий усилитель низкой частоты
Её параметры:
Uпит - 57.5(В)
Um.вых.max. - 0.5 (B)
Um.вх.max - 0.2 (B)
Iн (не болеее) - 2 (mA)
Iпотр.(не более) - 5 (mA)
Rвх.0 - 250 (кОм)
Rвых.0 - 1 (кОм)
K0 - 50000
3.2 На входе предоконечного каскада напряжение 0,9 (B)
Напряжение источника E=7*10-3 (B), значит коэффициент усиления каскада должен составить:
Подставляя R3 типовое для включения ИМС R3=30 (Оm) получаем:
3.3 Входное сопротивление с учетом ООC
(мОm)
Выходное сопротивление с учетом ООС:
(Оm)
3.4 Падение напряжения на R1 принимаем равным UR1=6 [B]
Ток потребления микросхемы Iпот=5 [mA] тогда:
(Оm)
(mкФ)
Конденсатор С2 на входе 10 (mкФ) из типовой схемы включения ИМС. Конденсатор С3=0.15 (нФ) для коррекции микросхемы (ограничение диапазона рабочих частот).Конденсатор С4=50 (мкФ) емкость фильтра.
4. РАСЧЕТ МЕЖКАСКАДНЫХ СВЯЗЕЙ
Основные линейные искажения в схеме приходятся на разделительные конденсаторы:
С4 - между входным и предоконечным каскадом.
С - между предоконечным и оконечным каскадом.
С- между оконечным каскадом и нагрузкой.
Считаем, что заданный коэффициент ослабления разделен поровну между тремя каскадами:
;
Тогда коэффициент линейных искажений:
Емкость рассчитывается по формуле:
(mкФ);
(mкФ)
(mкФ)
(mкФ)
Конденсаторы выбираем из ряда компонентов Е - 24.
Sн=20lgMн
Sн4=20lg1.107=0.882 (дБ)
Sн5=20lg1.12=0.984 (дБ)
Sн6=20lg1.12=0.984 (дБ)
Общий Sн=2.85 (дБ) < 3 (дБ), значит общее ослабление на граничных частотах удовлетворяет требованию ТЗ.
5. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ
Вероятность безотказной работы:
tср - среднее время безотказной работы.
S - интенсивность отказов.
Если изделие содержит n-типов элементов, последний из которых содержит Ni равнонадежных элементов с надежностью i, то i* Ni .
|
N,n/n |
Тип |
i*10-6 |
N кол-во |
i* Ni |
|
|
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. |
диоды - кремниевые конденсаторы - керамические - электролитические панели (на одно гнездо) резисторы - металопленочные соединения - паянные транзисторы - кремниевые микросхемы плата |
0.2 0.1 0.035 0.0244 0.04 0.004 0.5 0.02 0.1 |
2 1 6 4 9 48 2 1 1 |
0.4 0.1 0.175 0.0976 0.36 0.192 1 0.02 0.1 |
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Настоящая курсовая работа представляет собой полный расчет усилителя сигналов первичных измерительных преобразователей систем автоматического регулирования.
В ходе работе выполнен полный электрический расчет усилителя, произведена оценка надежности, разработан конструктивный чертеж устройства.
В схеме оконечного каскада для задания рабочего напряжения используются делитель напряжения, диод в прямом включении, комплиментарные транзисторы, что дает возможность осуществить работу схемы от одного источника. Чтобы обеспечить работу каскадов усиления мощности используют предварительные каскады усиления мощности. В этих каскадах учитывали влияние входного сопротивления последующего каскада. Для уменьшения нелинейных искажений ввели отрицательную обратную связь.
Для облегчения расчета и проектирования в качестве входного каскада использована микросхема.
Спроектированный усилитель полностью удовлетворяет требованию технического задания и конструктивно может быть выполнен на печатной плате.
7. ЛИТЕРАТУРА
1. Гершунский Б.С. “Справочник по расчету электронных схем”- Киев : Вища школа 1983 г.
2. Лавриненко В.Ю. “Справочник по полупроводниковым приборам”- М : “Техника” 1994 г.
3. Линецкий А.И. “Конспект лекций по курсу: «Электроника и микросхемотехника»”.
4. Новаченко В.М. “Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры”- М. : КубК-а 1996 г.
Приложение
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Усилитель звуковых частот. Расчёт оконечного каскада. Выбор транзисторов по допустимой мощности рассеяния на коллекторе и максимальной амплитуде коллекторного тока. Выбор входного транзистора, расчет входных элементов. Расчет мощности элементов схемы.
курсовая работа [618,3 K], добавлен 12.03.2016Принципиальная схема активного полосового фильтра на транзисторе с общим эмиттером и пассивных RC-цепях. Определение параметров нагрузки, выбор транзисторов по допустимой мощности рассеяния на коллекторе и максимальной амплитуде коллекторного тока.
курсовая работа [805,4 K], добавлен 30.12.2014Проектирование элементов усилителя мощности. Расчёт входного каскада. Определение амплитудного значения коллекторного напряжения одного плеча, импульса коллекторного тока транзистора. Нахождение входного сопротивления транзистора по переменному току.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 06.01.2015Проектирование многокаскадного усилителя. Выбор режима работы выходного каскада по постоянному и переменному току. Разработка и расчет электрической схемы усилителя импульсных сигналов. Расчёт входного сопротивления и входной ёмкости входного каскада.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 25.03.2012Определение числа каскадов. Распределение искажений на ВЧ. Расчёт оконечного каскада. Расчёт выходной корректирующей цепи. Выбор входного транзистора. Расчёт предоконечного каскада. Расчёт входного каскада. Расчёт разделительных конденсаторов.
курсовая работа [395,7 K], добавлен 02.03.2002Выбор типа транзисторов и способа их включения для оконечного и фазоинверсного каскада. Распределение частотных искажений. Расчёт электрической схемы усилителя. Расчёт фазоинверсного каскада с трансформаторной cвязью. Расчет частотных характеристик.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 06.04.2011Разработка и расчет схемы двухтактного усилителя мощности с заданными параметрами. Расчет оконечного, промежуточного и входного каскада. Выбор цепи стабилизации тока покоя. Результирующие характеристики усилителя. Требования к мощности источника питания.
курсовая работа [617,9 K], добавлен 16.10.2011Расчёт оконечного каскада. Расчёт рабочей точки. Выбор транзистора и расчёт эквивалентных схем замещения. Расчёт и выбор схемы термостабилизации. Расчёт усилителя. Расчёт ёмкостей и дросселей. Схема электрическая принципиальная.
курсовая работа [611,9 K], добавлен 02.03.2002Анализ технического задания, схема усилителя. Расчёт оконечного каскада, определение площади радиатора, предоконечных транзисторов, промежуточного и входного каскада, цепи отрицательной обратной связи и конденсаторов. Проверка устойчивости усилителя.
курсовая работа [300,0 K], добавлен 29.08.2011Определение числа каскадов. Распределение линейных искажений в области ВЧ. Расчёт выходного каскада. Расчёт предоконечного каскада. Расчёт входного каскада. Выбор транзистора. Расчёт цепей термостабилизации. Расчёт разделительных и блокировочных ёмкостей.
курсовая работа [657,3 K], добавлен 01.03.2002Комплексный электрический расчет усилителя, оценка его надежности и разработка конструктивного чертежа устройства. Вольтамперная характеристика диода КД-514А. Определение искажения в предоканечном каскаде. Расчет коэффициента линейных искажений.
курсовая работа [923,2 K], добавлен 10.01.2015Разработка и расчет оконечного каскада усилителя мощности. Выбор типа транзистора. Расчет масштабирующего усилителя с инвертированием сигнала. Разработка блока питания. Расчет предоконечного и промежуточного каскадов. Выбор операционного усилителя.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 14.10.2009Режим работы биполярного транзистора и основные физические процессы. Устройство и способы включения бипролярного транзистора. Определение напряжения источников питания. Расчёт коллекторной цепи транзисторов оконечного каскада и параметров цепей смещения.
курсовая работа [418,8 K], добавлен 09.08.2010Данные источников входных сигналов, основные требования к качеству работы электронного усилительного устройства системы автоматического управления. Выбор транзисторов оконечного каскада усиления. Расчет площади теплоотвода и сопротивлений резисторов.
курсовая работа [371,1 K], добавлен 23.12.2011Расчёт структурной схемы. Выбор транзисторов оконечного и предоконечного каскада. Семейство ВАХ IRF532, 9530. Электрический расчёт предоконечного каскада. Резисторы в цепи драйвера. Цепь ОС, ёмкости. Компьютерное моделирование работы УМЗЧ в CCM MC9.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 15.08.2012Определение числа каскадов. Распределение искажений в области высоких частот. Расчет оконечного каскада. Расчет рабочей точки. Выбор транзистора. Расчёт предоконечного каскада. Расчёт входного каскада. Расчет блокировочных и разделительных емкостей.
курсовая работа [816,5 K], добавлен 02.03.2002Расчёт и обоснование требуемых характеристик источника питания. Определение и выбор всех элементов схемы (номиналов и мощностей). Вычисление параметров конденсаторов, резисторов, транзисторов. Расчёт КПД схемы при синусоидальном входном сигнале.
контрольная работа [170,2 K], добавлен 05.12.2010Определение числа каскадов. Распределение линейных искажений в области ВЧ. Расчёт выходного каскада. Расчёт входного каскада по постоянному току. Расчёт эквивалентной схемы транзистора. Расчёт корректирующих цепей. Расчёт разделительных ёмкостей.
курсовая работа [517,5 K], добавлен 02.03.2002Заданные характеристики усилителя. Расчет выходного каскада, каскадов предварительного усиления, выбор оконечного каскада, транзисторов, схемы. Формула расчета емкости конденсатора. Входная и выходная характеристики транзистора, разводка печатной платы.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 10.05.2009Структурная схема усилителя. Распределение линейных искажений в области ВЧ. Расчёт выходного каскада. Расчёт полосы пропускания. Расчёт цепей термостабилизации. Расчёт входного каскада по постоянному току. Расчёт разделительных и блокировочных ёмкостей.
курсовая работа [413,2 K], добавлен 01.03.2002
