Широкополосный усилитель

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра СРС

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

«Схемотехника телекоммуникационных устройств»

Руководитель работы:

Доцент кафедры СРС

Якушевич Г.Н.

2014



Реферат

Курсовой проект 32 с., 9 рис., 5 источников, 3 приложения.

УСИЛИТЕЛЬ, УСИЛИТЕЛЬ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ, УСИЛЕНИЕ, РЕГУЛИРОВКА, КОЭФФИЦИЕНТ ГАРМОНИК, ИСКАЖЕНИЯ, ЧАСТОТНЫЕ ИСКАЖЕНЯ, ОПЕРАЦИОНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ, НОМИНАЛ, КАСКАД ИНВЕРТИРУЮЩИЙ, КАСКАД НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ, РАСЧЁТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ, ДИАПАЗОН ЧАСТОТ.

Объектом исследования является усилительное устройство как один из классов аналоговых электронных устройств.

Целью данной работы является практическое ознакомление с методами проектирования широкополосных усилителей, обладающих конкретно заданными параметрами, изучение способов регулировки усиления, умение выбрать необходимые схемные решения на основе требования технического задания. широкополосный усилитель регулировка цепь

В процессе работы были осуществлены инженерные решения (выбор операционных усилителей, способов регулировки).

В результате работы получили готовую схему широкополосного усилителя с известной топологией и номиналами элементов, которую можно использовать для практического применения.

Отчёт по курсовой работе выполнен в текстовом редакторе Microsoft® Office 2010.



Содержание

Введение

1. Составление структурной схемы устройства

1.1 Определение числа каскадов и составление структурной схемы

1.2 Распределения линейных искажений по каскадам

1.3 Выбор операционного усилителя

2. Электрический расчёт цепи

2.1 Расчёт сопротивлений резисторов, выбор номиналов

2.2 Расчёт ёмкостей

2.3 Расчёт коэффициентов гармоник

2.4 Расчёт отношения сигнал/шум

3. Расчёт регуляторов усиления

3.1 Понятие регуляторов усиления

3.2 Ступенчатая регулировка

3.3 Плавная регулировка

4. Моделирование широкополосного усилителя

Заключение

Список использованных источников

Приложения



Введение

Целью курсовой работы является составление и расчет принципиальной схемы широкополосного усилителя на операционных усилителях, выбор электрических компонентов, расчет отношения сигнал/шум и коэффициента гармоник, анализ частотных свойств полученного устройства.

Широкополосный усилитель применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры.

Элементной базой для ШУ в качестве активного элемента можно взять различные элементы (операционный усилитель, лампа, транзистор). В настоящее время предпочтение отдается операционным усилителям. Операционный усилитель (ОУ) способен обеспечить достаточный, стабильный коэффициент усиления, сформировать амплитудно-частотную характеристику и др.

Усилители осуществляют усиление электрических колебаний с сохранением их формы. Усиление происходит за счет электрической энергии источника питания. Таким образом, усилительные элементы обладают управляющими свойствами.



1. Составление структурной схемы устройства

1.1 Определение числа каскадов и составление структурной схемы

По данным технического задания найдем коэффициент передачи (усиления) по напряжению проектируемого усилителя, который определяется отношением:

(2.1)

где - полный коэффициент усиления;

- эффективное номинальное напряжение на выходе;

- эффективное номинальное

По формуле (2.1) определяем коэффициент передачи многокаскадного усилителя:

.

Полагая, что каждый каскад обеспечит по 20 дБ усиления (коэффициент передачи равен 10), найдем число каскадов:

Для обеспечения требуемого коэффициента усиления выберем схему каскадного подключения двух операционных усилителей (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Проектируемый широкополосный усилитель

1.2 Распределения линейных искажений по каскадам

Для многокаскадного усилителя гармонических сигналов в первую очередь распределяется по каскадам заданный коэффициент частотных искажений в области верхних частот . Это объяснимо тем, что коэффициент усиления каскада и уровень вносимых им линейных искажений определяют выбор типа ОУ.

где коэффициент частотных искажений j-го каскада, дБ.

Предварительно распределить искажения можно равномерно по формуле (2.2).

(2.2)

Тогда линейные искажения, приходящиеся на каждый каскад равно: .

1.3 Выбор операционного усилителя

Для усилителей гармонических сигналов операционные усилители выбираются по трём основным параметрам, которые приводятся в паспорте ОУ [1].

Частота единичного усиления - это частота, на которой модуль коэффициента передачи ОУ становится равным единицы. Так как ранее было оговорено, что коэффициент передачи каждого каскада равен 10, то . Рассчитаем требуемый параметр для операционного усилителя для входного каскада:

(2.3)

где требуемая граничная частота j-го каскада.

, тогда ,

.

По формуле (2.4) подбираем минимальную допустимую частоту единичного усиления для ОУ, она должна быть больше

Максимальная амплитуда выходного напряжения ОУ характеризует низкочастотное значение максимально-достижимой амплитуды гармонического сигнала.

Выходное напряжение входного каскада:

Максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУопределяется при подаче на его вход скачка напряжения, перекрывающего весь раствор линейного участка зависимости . Для обеспечения требуемой амплитуды выходного напряжения выбираемый ОУ должен иметь максимальную скорость нарастания выходного напряжения, удовлетворяющую неравенству:

На основании всех вышеприведённых параметров выбирается ОУ, в данной работе был выбран операционный усилитель K1407УД1 [1] (Приложение А).



2. Электрический расчёт цепи

2.1 Расчёт сопротивлений резисторов, выбор номиналов

Расчет выходного каскада.

Выходной каскад изображен на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 - Выходной каскад усилителя

Для инвертирующего каскада (рисунок 3.1) коэффициент усиления рассчитывается по формуле:

(3.1)

гдесопротивление резистора на входе инвертирующего каскада;

сопротивление резистора в цепи обратной связи.

Так как , то .

Так как входной каскад не может работать на нагрузку < 2 кОм возьмем равным 2 кОм

Выберем номиналы резисторов с учетом допуска , чтобы удовлетворяло рассчитанному коэффициенту усиления:



Номиналы резисторов:

Выберем номиналы сопротивлений в соответствии со справочными данными [1]:

=C2-23-0.062-2 кОм±5% - ОЖО.467.104.ТУ;

= C2-23-0.062-22 кОм±5% - ОЖО.467.104.ТУ.

Расчет входного каскада.

Входной каскад представлен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Входной каскад усилителя

Коэффициент передачи такого каскада:

,

Примем , получаем

Выберем номиналы резисторов с учетом допуска , чтобы удовлетворяло рассчитанному коэффициенту усиления -го каскада:

Номиналы резисторов:

Выберем номиналы сопротивлений в соответствии со справочными данными [1]:

= C2-23-0.062-2 кОм±5% - ОЖО.467.104.ТУ;

= C2-23-0.062-18 кОм±5% - ОЖО.467.104.ТУ.

2.2 Расчёт ёмкостей

Для определения требуемых номиналов ёмкостей конденсаторов допустимые линейные искажения разбиваются на части, соответствующие числу конденсаторов.

Для усилителей заданный коэффициент частотных искажений на нижней частоте складывается из суммы парциальных коэффициентов частотных искажений

(3.2)

где число искажающих цепей.

В большинстве случаев равно числу конденсаторов в схеме. В нашем случае число разделительных ёмкостей 2 (рисунок 3.3).



Рисунок 3.3 - Схема широкополосного усилителя с рассчитываемыми ёмкостями

Требуемая ёмкость разделительного конденсатора должна рассчитываться исходя из неравенства:

(3.3)

где сопротивление слева,

сопротивление справа.

Для первой и второй разделительных емкостей сопротивление слева можно не учитывать, так как выходное сопротивление ОУ мало, поэтому учитывается только сопротивление справа, а именно ( кОм).

Тогда выражение (3.3) можно привести к виду:

(3.4)

В итоге получаем:

По справочным данным выберем конденсаторы:

C1: К10-9-25 В-6,8 мкФ±5% - ТУ 11 - ОЖО.460.068.ТУ-86;

С2: К10-9-25 В-0,18 мкФ±5% - ТУ 11 - ОЖО.460.068.ТУ-86.

Определим искажения вносимые конденсатором (рисунок 3.3):

(3.5)

где постоянная времени;

(3.6)

где внутреннее сопротивление источника питания;

входное сопротивление (по ТЗ).

Воспользовавшись формулами (3.4) и (3.5) рассчитаем искажения, вносимые входной ёмкостью, в формуле (3.6) учитывается тот факт, что источник питания и входное сопротивление соединены параллельно.

В децибелах:

.

Как видно, искажения, вносимые входной ёмкостью, очень малы, поэтому их можно не учитывать.

2.3 Расчёт коэффициентов гармоник

Оценка коэффициентов гармоник для одного каскада производится по формулам:

(3.7)

где частота сигнала, для которой оценивается уровень гармоники в выходном искажённом сигнале каскада;

глубина обратной связи в каскаде для гармоники сигнала;

амплитуда выходного сигнала этого каскада;

максимально достижимая амплитуда выходного напряжения на частоте сигнала ;

номер гармоники;

результирующее напряжение смещения нуля на выходе каскада;

(3.8)

где коэффициент передачи операционного усилителя на частоте ;

коэффициент передачи каскада ();

(3.9)



где частота 1-ой гармоники;

(3.10)

Если максимально достижимая амплитуда выходного напряжения на частоте сигнала больше напряжения питания, то принимают равным напряжению питания .

(3.11)

Применяя формулы (3.7)-(3.10) рассчитаем предельное значение коэффициента второй и третьей гармоник каскада:

;

;

Тогда:

Суммарный коэффициент гармоник найдем по формуле: (3.11):

.

Видно, что коэффициент гармоник не превосходит допустимый 1% по ТЗ.

2.4 Расчёт отношения сигнал/шум

Для описания шумовых свойств каскада используют эквивалентную шумовую модель, представленную на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Шумовая модель усилительного каскада

Отношение сигнал/шум рассчитывается по формуле:

(3.12)

Где .

Эквивалентная спектральная плотность напряжения шума от всех источников, приведенная к входу, определяется выражением:



(3.13)

где генератор спектральной плотности шумовой ЭДС

;

- спектральная плотность шумового тока

температура в Кельвинах ();

постоянная Больцмана (),

Для неинвертирующего каскада:

, ;(3.14)

где внутреннее сопротивление источника;

Широкополосный усилитель представляет собой 2 каскада. Входной каскад является неинвертирующим, выходной - инвертирующий.

Для входного каскада (3.14):

;

По формуле (3.13):

Отношение сигнал/шум (в разах) для трехкаскадной структуры может быть рассчитано по формуле (3.12):

Переведём отношение сигнал/шум в децибелы:

.



3. Расчёт регуляторов усиления

3.1 Понятие регуляторов усиления

Регуляторы усиления в аналоговых устройствах используются для следующих целей:

регулировка уровня выходного сигнала устройства при номинальном уровне входного сигнала;

расширение динамического диапазона входных сигналов при номинальном уровне выходного сигнала;

подстройка разбросов коэффициентов усиления устройств за счёт технологических разбросов параметров комплектующих.

Регуляторы усиления по характеру регулировки усиления разделяют на ступенчатые и плавные. В случае совместного использования плавных и ступенчатых регуляторов дискрет регулировки ступенчатого регулятора выбирается равным диапазону регулировки плавного регулятора.

Ступенчатые регуляторы обычно ставятся на входе устройства для расширения динамического диапазона входных сигналов, обрабатываемых аналоговым устройством.

Плавные регуляторы усиления ставятся либо на входе устройства (если к устройству не предъявляется жёстких требований), либо в одном из первых каскадах устройства. При этом место их установки в схему должно обеспечить отсутствие перегрузки следующих каскадов в процессе регулировки.

По ТЗ необходимо обеспечить плавную и ступенчатую регулировку на .

3.2 Ступенчатая регулировка

Ступенчатая регулировка на осуществляется с помощью делителя напряжения, который устанавливается на вход неинвертирующего каскада (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Делитель напряжения на входе неинвертирующего каскада

Простейший резистивный делитель напряжения представляет собой два последовательно включённых резистора и , подключённых к источнику напряжения U. Поскольку резисторы соединены последовательно, то ток через них будет одинаков в соответствии с Первым законом Кирхгофа. Падение напряжения на каждом резисторе согласно закону Ома будет пропорционально сопротивлению.

Резисторы и выбираются таким образом, чтобы в сумме они давали (см. ТЗ). При этом дискретный регулятор должен обеспечить ослабление коэффициента усиления на 20 дБ или в 10 раз.

Для упрощения расчетов примем, что , тогда:

Следовательно, .

Для расчета , составим систему уравнений:

После решения системы получим значения , .

Выберем номиналы резисторов с учетом допуска :

=C2-23-0.062-18 кОм±2% - ОЖО.467.104.ТУ;

=C2-23-0.062-2 кОм±2% - ОЖО.467.104.ТУ;

=C2-23-0.062-20 кОм±2% - ОЖО.467.104.ТУ.

3.3 Плавная регулировка

Для того чтобы реализовать плавную регулировку усиления промежуточный инвертирующий каскад должен обладать коэффициентом усиления 10 ().

Плавный регулятор усиления представляет собой переменный резистор, который включается в цепь обратной связи. Из формулы коэффициента усиления для инвертирующего каскада следует, что коэффициент передачи входного инвертирующего каскада прямо пропорционален увеличению сопротивления переменного резистора. Тогда при максимальном значении сопротивления в цепи обратной связи коэффициент передачи должен быть максимальным, то есть , при минимальном соответственно - минимальный (ослабленный на 20 дБ или в 10 раз) .



Рисунок 4.2 - Выходной инвертирующий каскад с плавной регулировкой

Выведем расчётное соотношение для переменного сопротивления R в цепи обратной связи (рисунок 4.2).

Тогда:

переменное сопротивление в цепи обратной связи.

Номинал переменного резистора выбираем из ряда Е 24 с запасом

Таким образом, если вследствие технологического разброса параметров постоянного резистора каскад не сможет обеспечить требуемый (ослабленный только на 20 дБ по ТЗ) коэффициент усиления , дополнительное сопротивление можно будет заимствовать из переменного резистора.

В худшем случае усилительный каскад сможет обеспечить коэффициент усиления равный: .

Суммарный коэффициент усиления широкополосного усилителя в таком случае определяется по формуле (пункт 2.1):что удовлетворяет техническому заданию.



4. Моделирование широкополосного усилителя

Моделирование широкополосного усилителя проводилось в среде Qucs 0.0.17.

Принципиальная схема представлена на рисунке 5.1

Рисунок 5.1 - Принципиальная схема широкополосного усилителя

На рисунке 5.2 приведена подсхема операционного усилителя.

Рисунок 5.2 - Схема операционного усилителя

Рассчитаем искажения . Для этого воспользуемся формулами:



где ;

Для двух каскадов

Рассчитаем искажения на нижней граничной частоте:

Для двух каскадов

Рисунок 5.2 - ЛАЧХ широкополосного усилителя (



; )

Из рисунка 5.2 видно, что граничные частоты по собранной модели и по ТЗ совпали.



Заключение

В результате работы был спроектирован широкополосный усилитель на операционных усилителях. Все технические характеристики, заданные в ТЗ были реализованы в процессе проектирования:

Параметры, характеризующие данное усилительное устройство:

- коэффициент усиления 40 дБ,

- коэффициент гармоник не превышает 1 % в рабочей полосе частот от 50 Гц до 150 кГц,

- отношение сигнал/шум -- не менее 73.07 дБ.

Усилитель удовлетворяет требованиям технического задания, прост в реализации, соответствует второй группе сложности аппаратуры звуковоспроизведения и может быть рекомендован для использования



Список использованных источников

1. Колесов И.А. Проектирование аналоговых устройств: Методические указания по курсовому проектированию. - Томск: Факультет дистанционного обучения ТУСУР, 2011. - 208 с.

2. Аксенов А. И., Нефедов А. В. Резисторы, конденсаторы, провода, припои, флюсы: Справочное пособие. Серия «Ремонт», вып. 39. М.: Издательство «СОЛОН-Р», 2000.

3. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М.: Горячая линия, Телеком. 2003. - 320 с..

4. . Интегральные микросхемы: Операционные усилители. Обзор - М.:ДОДЭКА, 1994г., 48 с. под редакцией А.В. Перебаскин

5. Колесов И. А. Усилительные устройства бытовой радиоэлектронной аппаратуры: Учебное пособие. - Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования (ТМЦДО), 2003. - 247 с.



Приложение А

Справочные данные операционного усилителя К1407УД1

Таблица А.1 - Справочные параметры операционного усилителя К1407УД1

Параметр	Значение
Диапазон напряжения питания, Номинальное напряжение питания, Ток питания Диапазон температур среды,	+15….-12
Коэффициент усиления , тысяч	-
Входное напряжение смещения Дрейф входного напряжения смещения Входной ток смещения Дрейф входного тока смещения Разность входных токов смещения Дрейф разности входных токов смещения	7 5 50 -
Входное сопротивление
Амплитуда максимального выходного напряжения Коэффициент гармоник при максимальном значении	15 -
Максимальное синфазное входное напряжение Коэффициент ослабления синфазной помехи КОСФП, дБ	100
Частота единичного усиления	5
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения	10
Минимально допустимое сопротивление нагрузки, кОм
Спектральная плотность ЭДС шума, приведенная ко входу Спектральная плотность входного шумового тока	- -



Приложение Б

РТФ КП. 468730.001Э3



Приложение В

РТФ КП. 468730.001П Э3

Поз.обоз.	Наименование	кКол.	Примечание
	Конденсаторы
С1	КТ10-9-25В-6,8 мкФ±5% -ТУ11-ОЖО.460.068.ТУ-86.	11
С2	КТ10-9-25В-0,18 мкФ±5% -ТУ11-ОЖО.460.068.ТУ-86.	1
С3	КТ10-9-25В-20 пФ±10% -ТУ11-ОЖО.460.068.ТУ-86.	1
	М
DA1	МикросхемаК1 40УД23	2
	Резисторы
R1	C2-23-0.062-18 кОм±2% - ОЖО.467.104.ТУ.	1
R2, R3	C2-23-0.062-2 кОм±2% - ОЖО.467.104.ТУ.	11
R4	C2-23-0.062-20 кОм±2% - ОЖО.467.104.ТУ.	1
R5	C2-23-0.062-100 кОм±2% - ОЖО.467.104.ТУ	1
R6	C2-23-0.062-10 кОм±2% - ОЖО.467.104.ТУ.	1
R7	C2-23-0.062-18 кОм±2% - ОЖО.467.104.ТУ.	1
R8	C2-23-0.062-2 кОм±2% - ОЖО.467.104.ТУ.	1
					РТФ КП. 468730.001Э3
					Широкополосный Усилитель	Буква	Масса	Масштаб
Изм.	Лист	№ докум.	Подпись	Дата
Разработал	Рынгач А.В.
Проверил	Якушевич Г.Н.
Т. контр.					Лист 32	Листов 32
				Перечень элементов	ТУСУР РТФ СРС гр 162
Н. контр.
Утвердил

Размещено на Allbest.ru

...