Электронные компоненты и радиодетали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Техническое задание

2. Структурная схема усилителя

3. Расчет выходного каскада (эмиттерного повторителя)

4. Расчет ССУ

5. Расчет ДК

6. Расчет корректирующей емкости С 1

7. Составление топологии ГИМС

Заключение

Список литературы

Введение

Микроэлектроника - подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов с геометрическими размерами характерных элементов порядка нескольких микрометров и меньше

Микроэлектроника позволяет резко повышать надежность электронной аппаратуры, значительно уменьшить габариты, массу, потребляемую энергию и стоимость. электроника усилитель интегральный

Применение интегральных схем и микропроцессоров позволяет уменьшить габариты и массу аппаратуры на два порядка и более. Основой современных аппаратов являются интегральные микросхемы (ИМС).

Использование интегральных микросхем обеспечивает улучшение характеристик, разрабатываемых устройств, малое потребление энергии, расширяет функциональные возможности, что позволяет их использовать во всех сферах.

Данная курсовая работа полностью посвящена разработке интегрального усилителя, разрабатываемое устройство реализуется в виде гибридной интегральной микросхемы.

1. Техническое задание

Техническое задание определяется величинами параметров устройства по варианту № 37 исходных данных:

- Напряжение питания: Uпит = ±12 В;

- Коэффициент усиления по напряжению: Ku ? 60;

- Входное сопротивление: Rвх ?9 кОм;

- Сопротивление нагрузки: Rн = 0,2 кОм;

- Максимальное выходное напряжение Uвых max = 0,8 В;

- Верхняя частота fв = 25 кГц;

- Коэффициент частотных искажений на верхней частоте: Мв = 1.6 дБ;

- Вход: +.

2. Структурная схема усилителя

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Активными элементами в усилителях чаще всего являются транзисторы; такие усилители принято называть полупроводниковыми, или транзисторными. В любом усилителе входной сигнал управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Усилитель состоит из трех каскадов:

1. Дифференциальный каскад (ДК) предназначен для усиления разности двух напряжений UВЫХ ДК=КU ДК(UВХ 2 - UВХ 1) или при равенстве одного из них нулю происходит усиление входного сигнала с инверсией.

2. Схема смещения уровня (ССУ): т.к. постоянное напряжение на выходе ДК не равно нулю, то назначение этого каскада исключить эту составляющую в выходном напряжении;

3. Эмиттерный повторитель (ЭП) служит для согласования устройства с низкоомной нагрузкой.

Рисунок 1 - Структурная схема усилителя

3. Расчет выходного каскада (эмиттерного повторителя)

Расчет усилителя начинается с расчета выходного каскада, то есть, с расчета эмиттерного повторителя. Принципиальная схема эмиттерного повторителя показана на рисунке 2:

Рисунок 2 - Эмиттерный повторитель

Вычисляем ток нагрузки:

Определяем постоянную составляющую тока эмиттера эмиттерного повторителя, которая превышает ток нагрузки в 3 - 5 раз:

Примем

Следовательно, сопротивление в цепи эмиттера эмиттерного повторителя составит:

Мощность рассеивания на коллекторе транзистора определяется по ниже приведенной формуле:

Выбираем транзистор, у которого максимальная мощность Pк max больше, чем рассчитанная выше мощность.

Из таблицы 1 в приложении в методическом указании был выбран бескорпусный транзистор КТ 384А. Для данного транзистора необходимо определить h11э и h21э -параметры.

Схема для расчетов h - параметров биполярного транзистора КТ 384 А приведена ниже, результаты занесены в таблицу 1.

Рисунок 3 - Определение h - параметров для КТ 384А

Таблица 1 - Параметры биполярного транзистора КТ 384А

,мА			БТ
4	20	300	КТ 384А	220
мкА	мА	мВ	h11, Ом	h21
44	2.742	9.915	225.34	62.32

Источник постоянного тока I1 задает параметр Iб 0 (рабочая точка), напряжение Uбэ 0, которое определяется вольтметром pV1, и ток коллектора Iк 0, определяемое амперметром А 1, который включен в режиме по постоянному току DC. Другой источник, I2, задает Iб~, который в 5 раз меньше тока I1.

Формулы для нахождения h - параметров биполярного транзистора КТ 384А:

и .

Коэффициент передачи для эмиттерного повторителя рассчитывается по формуле:

Сопротивление эквивалентной нагрузки, состоит из параллельно включенных резисторов R8 и Rн:



Входное сопротивление

Напряжение сигнала на входе эмиттерного повторителя должно составлять:

Переменный входной ток эмиттерного повторителя равен

Таблица 2 - Расчетные параметры эмиттерного повторителя

R8, Ом	Rэкв н, Ом	Ku эп	Rвх эп~, Ом
600	150	0.977	9723.34
Iвх эп~, мА	Uбэ 0, В	Iэ~, мА
84.23	0.698	2.786

4. Расчет ССУ

В многокаскадных усилителях с непосредственными связями между каскадами на вход каждого следующего каскада поступает не только полезный сигнал, но и постоянная составляющая напряжения с транзистора предыдущего каскада. Устранение избыточного постоянного напряжения осуществляют схемы сдвига потенциальных уровней. При этом переменные сигналы они пропускают без ослабления. Схемы смещения уровней заменяют разделительные конденсаторы, которые не могут быть реализованы средствами микроэлектроники.

Схема смещения уровней, используемая в курсовой работе, приведена ниже (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схема смещения уровней

Данная схема состоит из эмиттерного повторителя на транзисторе VT4 и источника тока на транзисторе VT5. Для термостабилизации в цепь базы добавлен диод.

Ток коллектора источника тока VT5 по условию превышает примерно на порядок амплитуду входного переменного тока эмиттерного повторителя, примем Iк VT5 = 1 мА.

Напряжение дифференциального каскада составляет примерно половину напряжения питания. Максимальная мощность рассеивания на транзисторе VT5 равна

Так как мощность рассеивания на транзисторе VT5 должна быть больше 6 мВт, то нам подходит любой маломощный транзистор, выбираем биполярный транзистор КТ 359Б .

Согласно условию h11Э VT4 ? h11Э VT5 в схеме смещения уровней будут присутствовать два биполярных транзистора КТ 359В.

Определяем для биполярного транзистора КТ 359В необходимые параметры по такому же принципу, по которому был исследован выше КТ 384А.

Таблица 3 - Параметры биполярного транзистора КТ 359В

Uбэ 0, мВ	Iб 0, мкА	Uбэ ~, мВ	Iк ~, мкА	h11 э, Ом	h21 э
607.6	13.79	6.54	231.9	2180	77.3

Диод присутствует в схеме для термостабилизации, поэтому можно выбрать любой из трех диодов, приведенных в методическом указании, выбираем диод КД 904А.

Находим сопротивление резистора R6:

(подобранное по схеме 1,65 кОм)

Коэффициент передачи схемы смещения равен коэффициенту передачи ЭП на транзисторе VT4 умноженному на коэффициент передачи цепочки R6 и RВХ ЭП.

Находим RНЭ и KU CC :

Найдем входное сопротивление схемы смещения уровней:

Для того, что бы использовать один делитель напряжения R4 и R5 для источников тока схемы смещения и дифференциального каскада берем напряжение на базах транзисторов равным UБVT5= UБVT3=(0,6ч0,8)UП 2 = 11 В. Тогда напряжение на резисторе R7 будет равно

Величина сопротивления резистора R7 определяется по формуле

5. Расчет ДК

Дифференциальный каскад представлен на рис. 5. В задании к курсовой работе в варианте указан KU ? 60 и входное сопротивление усилительного каскада больше или равно 9 кОм, то в дифференциальном каскаде будет использован один биполярный транзистор КТС 395Б, выбор парных транзисторов был обусловлен тем, что они имеют минимальный разброс параметров.

Рисунок 5 - Схема дифференциального каскада

Необходимо найти параметры составного транзистора.

Находим для транзистора необходимые параметры, представленные в таблице 4.

Таблица 4 - Параметры транзистора КТС 395Б

Uбэ 0, В	Iк 0, мА	Uбэ~, В	Iк~, мкА	h21э	h11э

Рисунок 6 - Схема исследования транзистора КТС 395Б

Определим величину сопротивления R2 в цепи коллектора, стоит отметить, что R1 = R2

Рассчитываем КU ДК по следующей формуле:

Коэффициент передачи всего устройства:

Коэффициент передачи всего устройства подходит под условие, заданное в тексте задания (KU ? 60), это значит, что устройство спроектировано верно.

Теперь необходимо найти сопротивления оставшихся резисторов: R3, R4, R5. На диоде падает напряжение 0.7-0.8 В, поэтому R5 = 3.2 кОм, R3 = 8 кОм, R4 = 1.3 кОм.

6. Расчет корректирующей емкости С 1

В данной схеме корректирующая емкость используется для понижения постоянного напряжения на выходе усилителя. Для начала, предположим, что никакой из подобранных транзисторов не влияет на АЧХ. Найдем величину корректирующей емкости. Формула для расчета корректирующей емкости приведена ниже.

Необходимо произвести перевод заданного МВ из дБ в разы:

Теперь находим величину корректирующей емкости без учета влияния транзисторов:

Теперь найдем величину корректирующей емкостей с учетом влияния транзисторов. Рассмотрим изменение коэффициентта h 21э на частоте 25 кГц.

Для этого по параметрам, взятым из справочника определить предельную частоту

и по формуле

Для КТ 384А:



Для КТ 359Б:

На частоте 25 кГц изменение коэффициента h21э незначительно поэтому мы не учитываем влияние транзисторов на корректирующую емкость.

Согласно ряду Е 24, установим значение емкости C1 = 360 пФ. Выберем навесной керамический конденсатор номинала 360 пФ, имеющий допустимые отклонения емкости ±5%. Необходимым параметрам соответствует конденсатор К 10-17Б.

Параметры конденсатора К 10-17Б:

· Емкость - 360 пФ;

· Допустимые отклонения емкости - ±5%;

· Тип монтажа - поверхностный;

· Размеры - 5.6 мм * 4 мм.

· Температурный коэффициент емкости - М 1500

7. Составление топологии ГИМС

Согласно последней цифре варианта, материалом пленочных резисторов будет являться сплав Нитрид тантала. Его параметры: RS = 1200 Ом/?, P0 = 30 мВт/мм 2.

Для определения размеров резисторов воспользуемся следующими формулами:

· коэффициент формы резистора

· длина резистора

· ширина резистора

Результаты расчетов представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Размеры пленочных резисторов

	R1	R2	R3
	KФ 1	l1, мм	b1, мм	KФ 2	l2, мм	b2, мм	KФ 3	l3, мм	b3, мм
Рассчетн.	10			10			6,67
Пересчит
	R4	R5	R6
	KФ 4	l4, мм	b4, мм	KФ 5	l5, мм	b5, мм	KФ 6	l6, мм	b6, мм
Рассчетн.	1,08			2,67			1,375
Пересчит
	R7	R8
	KФ 7	l7, мм	b7, мм	KФ 8	l8, мм	b8, мм
Рассчетн.	2,83			0,5
Пересчит

Площадь, занимаемая резисторами:

Площадь, занимаемая навесными элементами схемы:

Общая площадь, занимаемая резисторами и навесными элементами:

С учетом площади соединений, промежутков между элементами ИМС и расстояния от края подложки, увеличиваем площадь подложки в 4-5 раз, из таблицы рекомендуемых размеров выбираем подложку размеров 24 мм * 20 мм.

Полная принципиальная схема интегрального усилителя представлена на рисунке 7, АЧХ показана на рисунке 8. Окончательный топологический чертеж ГИМС приведен на рисунке 9



Рис. 7 - Полная принципиальная схема интегрального усилителя

Рисунок 8 - АЧХ на выходе цепи.

Заключение

В ходе данной работы была составлена полная принципиальная схема интегрального усилителя, был произведен полный подбор необходимый для реализации транзисторов, диодов, конденсаторов, произведены расчеты размеров пленочных резисторов. Также в конце работы был составлен топологический чертеж ГИМС.

Список литературы

1. Савиных В.Л. Разработка интегрального усилителя - Новосибирск, СибГУТИ, 2015.

2. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. ГОСТ 2.723 - 68, ГОСТ 2.725 - 68, ГОСТ 2.728 - 74, ГОСТ 2.729 - 68, ГОСТ 2.730 - 73. Официальное издание. Москва.

3. Технические характеристики ECH-U1C391JX5 - URL: http://www.kontest.ru/catalog/item/4676538 (дата обращения 28.03.2015)

4. Вайспапир В.Я., Катунин Г.П., Мефодьева Г.Д. Едина система конструкторской документации в студенческих работах - Новосибирск, СибГУТИ, 2004. - 101 стр.

5. Электронные компоненты и радиодетали - URL: http:// www.chipfind.ru (дата обращения 27.03.2015)

Размещено на Allbest.ru

...