Курсовой проект по дисциплине «Электроника» на тему: «Проектирование и расчет усилителей» СОДЕРЖАНИЕ Введение 1. Усилители: понятие, классификация, параметры, характеристики 1.1 Понятие усилителя 1.2 Классификация усилителей 1.3 Параметры усилителей 1.4 Характеристики усилителей 2. Обратная связь в усилителях. Влияние обратной связи на параметры и характеристики усилителей 3. Усилительные каскады на биполярных транзисторах 4. Операционные усилители: понятие, параметры и характеристики 4.1 Понятие об операционных усилителях 4.2 Параметры ОУ 4.3 Характеристики ОУ 4.3.1 Амплитудные характеристики 4.3.2 Дрейфовые характеристики 4.3.3 Входные характеристики 4.3.4 Выходные характеристики 4.3.5 Энергетические характеристики 4.3.6 Частотные характеристики 4.3.7 Скоростные характеристики 5. Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе 5.1 Параметры нагрузки 5.2 Выбор точки покоя 5.3 Выбор транзистора 5.4 Статический режим 5.5 Динамический режим 5.6 Амплитудная характеристика Uвх m = f(Uвх m) 6. Проектирование усилителя низкой частоты 6.1 Расчет полученной схемы 7. Проектирование сумматора на основе операционного усилителя 7.1 Расчет полученной схемы 8. Моделирование схем с помощью программы Elektronik Workbench 8.1 Моделирование усилительного каскада на биполярном транзисторе 8.2 Моделирование усилителя низкой частоты 8.3 Моделирование сумматора на основе операционного усилителя 9. Заключение Список использованной литературы Приложение «Усилители. Принципиальные электрические схемы» усилитель каскад транзистор ВВЕДЕНИЕ Роль электроники в современной науке и технике трудно переоценить. Она справедливо считается катализатором научно-технического прогресса. Спектр ее применения простирается от фундаментальных исследований до прикладного использования. Электроника влияет на все народное хозяйство, но не непосредственно, а через целый ряд специфических отраслей, таких как вычислительная техника, информационно-измерительные системы, робототехника, микропроцессоры. Важнейшим элементом электроники является транзистор, обладающий свойством усиления электрического сигнала. На транзисторе, в основном, построены все существующие схемы усилителей [1]. Электронный усилитель – один из основных элементов современных электронных устройств. Широта и разнообразие задач выполняемых электронными устройствами привело к возникновению усилителей самого различного типа и назначения [2]. Цель данного курсового проекта усилительного каскада на биполярном – проектирование и расчет транзисторе, проектирование усилителя низкой частоты и сумматора на основе операционного усилителя, а также моделирование схем с помощью программы Electronics Workbench. 1. УСИЛИТЕЛИ: ПОНЯТИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ 1.1 Понятие усилителя Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала за счет энергии дополнительного источника питания; при этом выходная (усиленная) величина является функцией входного сигнала и имеет одинаковую с ним физическую природу. Усилители относятся к активным элементам автоматики. Рисунок.1.1 - Общая структурная схема усилителя. Наиболее широкое применение находят электрические усилители, так как они обладают высокой чувствительностью, допускают сравнительно простую регулировку коэффициента усиления, хорошо сочетаются с электрическими исполнительными электромагнитами и т.п.) [3]. устройствами (двигателями, 1.2 Классификация усилителей Основной классификацией усилителей является классификация по диапазону усиливаемых частот: усилители низкой частоты (УНЧ, диапазон усиливаемых частот от 10Гц до 100кГц), усилители высокой частоты (УВЧ, диапазон усиливаемых частот от 100кГц до 100МГц), усилители постоянного тока (УПТ, диапазон усиливаемых частот от 0Гц до 100кГц), импульсные усилители (ИУ, диапазон усиливаемых частот от 1кГц до 100кГц), избирательные, или резонансные усилители (усилители, работающие в узком диапазоне частот). 1.3 Параметры усилителей К параметрам усилителя относятся: коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление, выходная мощность и КПД, уровень собственных шумов, диапазон усиливаемых частот, величина искажения. Коэффициент усиления определяется по формуле: К= (1.1) Входное и выходное сопротивление. Эквивалентную схему усилителя можно представить следующим образом (рисунок 1.2). Рисунок 1.2 - Эквивалентная схема усилителя Задача передачи максимальной энергии от источника сигнала на вход усилителя, а также с выхода усилителя на нагрузку называется согласованием. Для оптимального согласования входное сопротивление усилителя должно быть как можно больше, т. е. значительно больше внутреннего сопротивления источника сигнала, а выходное сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки. Если два усилительных каскада не согласованы между собой по входному и выходному сопротивлению, то между ними ставится эмиттерный повторитель, имеющий очень большое входное и малое выходное сопротивление. Выходная мощность и КПД усилителя. Выходная мощность может быть определена по формуле: Рвых = (1.2) КПД усилителя можно определить по следующей формуле: η= ⋅ 100% (1.3) Уровень собственных шумов состоит из следующих составляющих: - тепловые шумы при нагревании сопротивлений, ёмкостей; - шумы усилительных элементов; - шум за счёт пульсаций источника питания. Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания усилителя). Это полоса частот, в которой выходное напряжение уменьшается не более чем до 0,7 своей максимальной величины. Искажения усилителя возникают за счёт нелинейности характеристик транзисторов. Искажения происходят за счёт появления в спектре сигнала высших гармонических составляющих, и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициент гармоник). Кr = ⋅ 100% [4] (1.4) 1.4 Характеристики усилителей К характеристикам усилителей относятся амплитудная, амплитудночастотная, фазочастотная, переходная и динамические характеристики. Зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя от амплитуды входного напряжения Uвых. = f(Uвх) называется амплитудной характеристикой (АХ) усилителя. Графики идеальной и реальной АХ усилителя показаны на рисунке 1.3. Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты К(f) представляет собой амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя (см. рисунок 1.4) Рисунок 1.3 - Графики идеальной и реальной АХ усилителя [5]. Зависимость сдвига по фазе между выходным и входным параметрами усилителя от частоты называется фазочастотной характеристикой (ФЧХ) усилителя. Это зависимость аргумента φ комплексного коэффициента усиления от частоты. Типичная ФЧХ показана на рисунке 1.6 (кривая 1). По оси абсцисс откладываются значения частоты в линейном или логарифмическом масштабе, а по оси ординат – значения углов фазового сдвига в градусах или радианах между выходным и входным параметрами усилителя в линейном масштабе. Из реальной ФЧХ, изображенной в ординарном логарифмическом масштабе, видно, что только в области средних частот на участке АВ она имеет сравнительно небольшой линейный участок, а остальная часть ФЧХ нелинейная. В областях нижних и верхних частот ФЧХ практически описывается тангенсоидой. ФЧХ усилителя в одинарном логарифмическом масштабе иногда аппроксимируется ломаной линией 2, имеющей скачок –90°. При такой аппроксимации ФЧХ наибольшая погрешность составляет 45° на частоте сопряжения, что говорит о грубом приближении. Рисунок 1.6 - Фазочастотная характеристика Идеальная ФЧХ 3 представляет собой прямую, выходящую из начала координат φ(f) =of. Сравнивая реальную ФЧХ с идеальной, легко заметить, что только на небольшом участке АВ они линейны и почти совпадают. Следовательно, только в небольшой полосе частотного диапазона, где ФЧХ линейна, не происходит искажения формы усиливаемого сигнала. На остальных участках частотного диапазона реальная ФЧХ нелинейная, время запаздывания отдельных составляющих сигнала различное, в результате форма выходного сигнала отличается от формы входного сигнала [7]. Зависимость скачкообразном выходного напряжения (ступенчатом) (тока) воздействии от входного времени при напряжения (тока) Uвых.(t) = Uвх.(t)K называется переходной характеристикой (ПХ) усилителя. Этой характеристикой определяется процесс перехода усилителя из одного состояния в другое. Аналитическое выражение ПХ при скачкообразном изменении входного параметра называется переходной функцией, она обозначается h(f). Скачкообразное изменение входного напряжения (рисунок 1.7, а) позволяет выяснить реакцию усилителя на это воздействие сразу в двух режимах: переходном и стационарном. Искажение формы выходного напряжения состоит в следующем: возникает задержка выходного напряжения на некоторое время запаздывания tз, происходит уменьшение крутизны фронта, из-за чего появляется время нарастанияtнар (длительность фронта), и, наконец, наблюдается неравномерность вершины, прямоугольного импульса Δ за время спада tсп. Переходная функция, так же как и АЧХ, аппроксимируется экспонентами. В связи с этим вместо времениtнар и tсп удобно вводить соответствующие им постоянные времени. Время tз необходимо отсчитывать до начала прямой, которой аппроксимируется экспонента, описывающая процесс нарастания выходного напряжения [8]. Различают сквозную и прямую передачи динамические характеристики (ДХ). Сквозной ДХ называется зависимость выходного напряжения (тока) от входной ЭДС сигнала (тока). Сквозная ДХ позволяет судить о нелинейных свойствах усилителя, с ее помощью оцениваются нелинейные искажения усилителя. У линейного усилителя при отсутствии фазового сдвига между выходным и входным сигналами сквозная ДХ представляет собой отрезок прямой, проходящий через начало координат под определенным наклоном к оси абсцисс. Однако у реального усилителя линейный участок сквозной ДХ ограничен точками А и В (рисунок 1.8, а). Это связано с тем, что ВАХ УЭ, являясь нелинейными, при сигнале, превышающем определенный уровень, не обеспечивают линейную зависимость между выходным напряжением и ЭДС, отчего и происходит «завал» сквозной ДХ. Рисунок 1.8 - Динамические характеристики усилителя: а) сквозная; б) прямой передачи. Если входное сопротивление усилителя, например ОУ или усилительного каскада на полевых транзисторах, превышает на два порядка и более сопротивление источника сигнала, то используют ДХ прямой передачи, которая представляет собой зависимость выходного напряжения усилителя от входного Uвых = f(Uвх) (рисунок1.8, б). Поскольку входные каскады ОУ и УПТ выполняются по балансным схемам в виде дифференциальных каскадов (ДК), то далеко не всегда ДХ прямой передачи ДК и устройств на их основе проходит через начало координат. На практике ДХ прямой передачи чаще всего смещена вправо или влево, как показано на рисунке штриховой линией. В результате для балансировки ДК или ОУ приходится подавать ЭДС смещения, чтобы ДХ прямой передачи проходила через начало координат [9]. 2. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ. ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЕЙ Обратной связью в усилителе (в целом) или же в отдельно взятом каскаде называется такая связь между входом и выходом, при которой часть энергии усиленного сигнала с выхода передаётся на вход. По способу своего возникновения обратная связь (ОС) может быть внутренней, паразитной и искусственной. Внутренняя ОС возникает за счёт внутренних свойств элементов схемы. Паразитная ОС возникает за счёт паразитных ёмкостей и индуктивностей. Стараются внутреннюю паразитную обратную связь возможно сильнее уменьшить. Искусственная ОС вводится специально для улучшения основных характеристик усилителя. По признаку петлевого усиления различают положительную ОС (ПОС) и отрицательную ОС (ООС). При ПОС сигнал на вход усилителя через цепь ОС поступает в фазе со входным сигналом. При ООС сигнал, проходя цепь ОС, будет подаваться в противофазе с входным сигналом. В усилителях, в основном, применяется ООС; ПОС применяется в генераторах. В зависимости от того, каким образом цепь ОС подключается к выходу усилителя, различают параллельную и последовательную ОС усилителя (рисунок 2.1, рисунок 2.2). Рассмотрим влияние ООС на работу усилителя последовательной ОС по напряжению (рисунок 2.3). К= - коэффициент усиления без обратной связи; Кос = - коэффициент усиления с обратной связью. β= (2.1) на примере Кос = = (2.2) Рисунок 2.1- Параллельная ОС; Рисунок 2.2 - Последовательная ОС. Рисунок 2.3 - Последовательная ОС по напряжению. Из формулы (2.1) видно, что Uвых. ос будет равняться β, умноженному на Uвых и подставленному в формулу (2.2). Кос = (2.3) В знаменателе последней формулы вынесем Uвых за скобку: Кос = Кос = (2.4) (2.5) Величина (1+ β⋅К) называется глубиной обратной связи. Последняя формула показывает то, что глубина ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя. Для положительной ОС: Кпос = (2.6) Кроме того, что введение ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя, все остальные технические показатели улучшаются. Увеличивается полоса пропускания, уменьшаются нелинейные и частотные искажения, несколько возрастает входное сопротивление [4]. 3. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ Рассмотрим усилитель, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а для стабилизации рабочей точки используется отрицательная обратная связь по току (Рисунок 3.1). Схема с общим эмиттером обеспечивает усиление как по напряжению, так и по току. Она имеет невысокое входное и относительно большое выходное сопротивления. В многокаскадных усилителях схему с общим эмиттером используют для получения требуемого коэффициента усиления напряжения. Конденсаторы С1 и С2 являются разделительными: С1 препятствует связи по постоянному току источника входного сигнала и усилителя, а С2 служит для разделения по постоянному току коллекторной цепи и нагрузки. Емкости С1 и С2 выбирают такими, что на частоте переменной составляющей их сопротивлением можно было пренебречь. Резистор Rг учитывает внутреннее сопротивление источника сигнала. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, определяющий положение рабочей точки эмиттерного перехода. Рисунок 3.1 - Усилитель, в котором транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а для стабилизации рабочей точки используется отрицательная обратная связь по току. Резистор в цепи коллектора преобразует изменение тока коллектора в выходное напряжение. На выходе цепи включен резистор нагрузки Rн, с которого снимается усиленный сигнал. Резистор Rэ является цепью отрицательной обратной связи. Конденсатор в цепи эмиттера шунтирует резистор Rэ . Ёмкость этого конденсатора выбирают такой, чтобы на частоте сигнала Xэ = <<Rэ . За счёт этого увеличивается коэффициент усиления переменной составляющей [10]. 4. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ: ПОНЯТИЕ, ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ 4.1 Понятие об операционных усилителях Операционные усилители (ОУ) - это усилители постоянного тока, имеющие дифференциальный вход, большой коэффициент усиления, по своим усилительным характеристикам приближающиеся к идеальному усилителю, и используемые для выполнения различных операций с электрическими сигналами (усиление, масштабирование, суммирование, вычитание, умножение, интегрирование и др.) Операционные усилители имеют как минимум 5 выводов. Схемное обозначение операционного усилителя показано на рисунке 4.1. Рисунок 4.1 - Обозначение ОУ. [11] 4.2 Параметры ОУ К основным параметрам ОУ относятся: коэффициент усиления, входное сопротивление, мощность, коэффициент ослабления синфазного сигнала, скорость нарастания выходного напряжения, частота единичного усиления, частота среза, время установления выходного напряжения. Коэффициент усиления К равен отношению выходного напряжения к вызвавшему это приращение дифференциальному входному сигналу при отсутствии обратной связи (составляет 103…107) и определяется при холостом ходе на выходе: К= (4.1) Входное выводами) сопротивление равно отношению Rвх (сопротивление приращения между входного входными напряжения к приращению входного тока на заданной частоте сигнала. Оно определяется для области низких частот. Потребляемый от источника питания ток или потребляемая мощность – мощность, рассеиваемая ОУ при отключенной нагрузке. Коэффициент ослабления синфазного сигнала Косс определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, подаваемого на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, вызывающему такое же значение выходного напряжения. Коэффициент ослабления показывает, во сколько раз коэффициент усиления дифференциального сигнала больше коэффициента усиления синфазного входного сигнала, и составляет 60…120 дБ: Косс = (4.2) Скорость нарастания выходного напряжения Vmax определяется наибольшей скоростью изменения выходного напряжения ОУ при действии на входе импульса прямоугольной формы с амплитудой, равной максимальному значению входного напряжения. Частота единичного усиления f1 – это частота входного сигнала, при котором коэффициент усиления ОУ равен 1. Частота среза ОУ f – частота, на которой коэффициент усиления снижается в раз. Она оценивает полосу пропускания ОУ. Время установления выходного напряжения tуст - время, необходимое для возвращения усилителя из состояния насыщения по выходу в линейный режим [12]. 4.3 Характеристики ОУ 4.3.1 Амплитудные характеристики Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики (рисунок 4.2). Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтального и наклонного участков. Рисунок 4.2 - Амплитудные характеристики ОУ. Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзисторов выходного каскада. При изменении входного напряжения на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется напряжением +Uвых (max), Uвых (max). Эти напряжения близки к напряжению источников питания. Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Этот диапазон называется областью усиления.Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ: Kuоу = Uвых / Uвх. Большие значения коэффициента усиления ОУ позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами,которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи. Амплитудные характеристики, представленные на рисунке 4.2, проходят через нуль. Состояние, когда Uвых = 0 при Uвх = 0,называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется (наблюдается разбаланс). При Uвх = 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля (Uвых = + Uвых или Uвых = - Uвых). 4.3.2 Дрейфовые характеристики На рисунке 4.3 показан вид передаточной характеристики реального ОУ. Рисунок 4.3 - Вид передаточной характеристики реального ОУ. Напряжение Uсмо, при котором Uвых = 0, называется входным напряжением смещения нуля. Оно определяется значением напряжения, которое необходимо подавать на вход ОУ для создания баланса. Напряжения Uсмо и Uвых связаны соотношением Uсмо = Uвых / Кuоу. Основной причиной разбаланса ОУ является существенный разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада. Зависимость от температуры параметров ОУ вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения и температурный дрейф выходного напряжения. Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала показана на рисунке 4.4, из которого видно, что при достаточно больших значениях Uсф (соизмеримых с напряжением источника питания) коэффициент усиления синфазного сигнала Ксф резко возрастает. Рисунок 4.4 - Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала. 4.3.3 Входные характеристики Входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, а также максимальное входное дифференциальное напряжение характеризуют основные параметры входных цепей ОУ, которые зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада. 4.3.4 Выходные характеристики Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, а также максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Энергетические характеристики Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью. Частотные характеристики Изготовители представляют частотную зависимость усиления ОУ без ОС в виде кривой, называемой амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ) без ОС. Частота f1, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления. При составлении графиков частотных характеристик обычно используется логарифмический масштаб. Рисунок 4.5 - Амплитудно-частотная характеристика 4.3.5 Скоростные характеристики Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рисунок 4.6). Рисунок 4.6 - Реакция ОУ на воздействие скачка напряжения на входе. Скорость нарастания выходного напряжения Uвых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1Uвых до 0,9Uвых. Время установления выходного напряжения tуст оценивают интервалом времени, в течение которого выходное [13]. РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА ТРАНЗИСТОРЕ Исходные данные: - напряжение источника питания: Ек = 27 В; - выходное напряжение U = 8 В; - мощность нагрузки Рн = 25 мВт; - тип транзистора: n-p- n; - Rэ = 0,1 Rк; - Iдел = 5 Iбп. Рис. 5.1 – Схема усилительного каскада. 5.1 Параметры нагрузки Сопротивление нагрузки: Rн = = = 1,28 кОм. Амплитуда тока нагрузки: НА БИПОЛЯРНОМ Iвыхm = = = 6,2 мА. 5.2 Выбор точки покоя Iкп ≥ Iвых m; Uкэп ≥ Uвых m + Δ U; Δ U = 1…1,5В = 1,3 В; Iкп ≥ 6,2 мА, Uкэп ≥ 9,3 В. Принимаем Iкп = 13,3 мА, Uкэп = 10,4 В. 5.3 Выбор транзистора Uкэ доп ≥ Ек = 27 В; I к доп ≥ Iкп + Iвых = 13,3 + 6,2 = 19,5 мА; Рк доп ≥ Iкп ∙ Uкэп = 13,3 ∙ 10,4 = 138,32 мВт. Выбираем транзистор КТ315В, у которого: Uкэ доп = 40 В; I к доп = 100 мА; Рк доп = 150 мВт; h11 = 0,14 кОм; h21= 50; h22 = 0,3 мкСм [14]. Рекомендуемое напряжение база-эмиттер в режиме покоя Uбэп = 1,0 В. 5.4 Статический режим Рис. 5.4.1 – Расчетная схема. Rэ = 0,1 Rк; Rк = = = = 1,135 кОм; Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: Rк = 1,14 кОм [15]. Rэ = 0,1 ∙ 1,14 = 0,114 кОм; Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: Rэ = 0,114 кОм [15]. Iдел = 5 Iбп; Iбп = = = 0,266 мА; Iдел = I1 = 1,33 мА. Для контура R2 – база – эмиттер - Rэ уравнение по второму закону Кирхгофа: - R2I1 + Uбэп + Iкп Rэ = 0; R2 = = 1,89 кОм. = Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: R2 = 1,89 кОм [15]. Второе уравнение для контура Ек – R1 - R2: Ек = (I1 + Iбп) ∙ R1 + R2I1; R1 = = = = 15,34 кОм. Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: R1 = 15,4 кОм [15]. 5.5 Динамический режим Рис. 5.5.1 – Расчетная схема замещения каскада с учетом h-параметров транзистора. В динамическом режиме Ек закорочен, а сопротивлением конденсаторов можно пренебречь, так как их емкость выбирается из условия, чтобы на минимальной рабочей частоте реактивное сопротивление конденсаторов было на порядок меньше сопротивлений резисторов схемы. Сопротивление конденсаторов: Xc = , где ω = 2πf, где f = 30 Гц. Xc1 ‹‹ R2; Xc1 = 189 Ом = →С= = 28 мкФ; = Xc2 ‹‹ Rк; Xc2 = 113 Ом = → С = = = 46,9 мкФ; Xcэ ‹‹ Rэ; Xcэ = 114 Ом = Rб = →С= = = = 46,5мкФ. = 1,68 кОм. = Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: Rб = 1,69 кОм [15]. Входное сопротивление каскада: Rвх = = = = 0,129 кОм. Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: Rвх = 0,129 кОм [15]. Выходное сопротивление: Rвых = ≈ Rк = 1,14 кОм (h22 = 3∙10-6 См); Выбираем стандартное значение сопротивления из ряда резисторов Е192: Rвых = 1,14 кОм [15]. Масимальная амплитуда выходного напряжения при Ikm = Iкп: Uвых m = = 13,3 ∙ = 13,3 ∙ Uвых m > Uвых → сигнал искажаться не будет. Коэффициенты усиления: = 8,0196 В; Кu = ∙ Кi = h21 ∙ = = 50 ∙ = = 215,348; = 50 ∙ 0,4711 = 23,555; Кр = Кu ∙ Кi = 215,348 ∙ 23,555 = 5072,522; Потребляемая мощность: Р1 = ∙ Uкэп = 13,3 ∙ 10,4 = 138,32 мВт. КПД при Р2 = Рн = 25 мВт: η= = = 0,1807. 5.6 Амплитудная характеристика Uвх m = f(Uвх m) Uвых m = Ku ∙ Uвх m = 216,138 ∙ Uвх m. Это линейное уравнение справедливо до Uвых m = 8,0196. Дальнейший рост напряжения ограничивается тем, что транзистор закрывается. Следовательно, амплитудную характеристику можно построить по двум точкам: первая точка: Uвх m = 0, Uвх m = 0; вторая точка: Uвых m = 8,0196, Uвх m = = = 37,24 мВ. Рис. 5.6.1 – Амплитудная характеристика Uвх m = f(Uвх m). 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ Исходные данные: - тип ОУ: К544УД1; - требуемый коэффициент усиления: 200; - минимальное входное напряжение: U = 4 мВ; - тип усилителя: неинвертирующий. Проектирование осуществляется на основе усилителя К544УД1Б с параметрами: Iвх = 0,15 нА [13]; Еп = ± 15 В [15]; Uвых m = ± 11 В; = 200000 [16]; Rвых’ = 200 Oм [17]; Rн1 = Rн = 2 кОм [18]. Современные усилители не употребляются без обратной связи, поэтому к ОУ К544УД1Б присоединяем отрицательную обратную связь в виде R4 на неинвертирующий вход. Для получения необходимого коэффициента усиления на вход усилителя следует подключить R5. Для уравнивания входных токов ОУ по обоим входам в цепь инвертирующего входа подключаем R3. Требуемый тип усилителя – неинвертирующий, поэтому сигнал подаем на неинвертирующий вход. Чтобы отделить помеху от полезного сигнала, надо иметь ΔIвх·R5 значительно меньше, чем Uвх min. В результате проектирования получаем схему неинвертирующего усилителя низкой частоты (рисунок 6.1). Рис. 6.1 – Неинвертирующий усилитель низкой частоты. 6.1 Расчет полученной схемы = 26,67 ∙ 106 Ом. = Примем Rвх = R5 = 1 кОм, тогда: ΔIвх·R5 = 0,15 ∙ 10-9 ∙ 1 ∙ 103 = 0,15 мкВ. 0,15 мкВ << Uвх min = 4 мВ. Ku = + 1; R5 = ; 200 = + 1; 1000 = ; = 200 – 1; R4 = R3 ⋅ 199; 1000 = 1000 = ; ; 1000 = 0,995R3; R3 = 1,005 кОм; R4 = 200 кОм. Выбираем стандартные значения сопротивлений из ряда резисторов Е192: R4 = 200 кОм; R3 = 1,01 кОм [15]. Rн1 = Rвых = Rґвых = 200 = 1,99 Ом. Выбираем стандартные значения сопротивлений из ряда резисторов Е192: Rн1 = Rвых = 2 Ом [15]. Uвх m = = = 0,055 В. 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУММАТОРА НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ Исходные данные: - выполняемая сумматором операция: 5U1 + U2 – U3 – U4; - сопротивление обратной связи Rобр = R10 = 120 кОм. Проектирование сумматора осуществляется на основе усилителя К544УД1А с Uвых m = ± 12 В [16]. Отрицательная обратная связь в виде R10 прикрепляется на инвертирующий вход ОУ. Заданная формула: 5U1 + U2 – U3 – U4. Число неинвертирующих входов соответствует числу положительных (U1 и U2), а число инвертирующих – числу отрицательных членов функции (U3 и U4). 7.1 Расчет полученной схемы Весовые коэффициенты входов: К1 = 5, К2 = 1, К3 = 1 К4 = 1. R6 = = = 24 кОм; R7 = = = 120 кОм; R8 = = = 120 кОм; R9 = = = 120 кОм. Выбираем стандартные значения сопротивлений из ряда резисторов Е192: R6 = 24 кОм, R7 = 120 кОм, R8 = 120 кОм, R9 = 120 кОм [15]. Входное сопротивление по инвертирующему входу: = + + = 40 кОм, = + + = ; по неинвертирующему входу: Rн = = Чтобы выровнять = 20 кОм, = входные > Rн. сопротивления параллельно инвертирующему входу, надо включить резистор R11 =40 кОм. Выходное напряжение при выполнении требуемой операции Uвых = 5U + U – U – U = 4U. При максимальном выходном напряжении ОУ 12 В единичное входное напряжение (равное по всем входам): U= = = 3 В. При единичном входном напряжении 100 мВ Uвх1 = Uвх2 = Uвх3 = Uвх4 =100 мВ. Доля выходного напряжения за счет первого входа: Uвых1 = K1Uвх1 =5·100= 500 мВ. Для других входов: Uвых2 = K2Uвх2 = 1·100 = 100 мВ, Uвых3 = -K3Uвх3 = -1·100 = -100 мВ, Uвых4= -K4Uвх4 = -1 ·100 = -100 мВ. Выходное напряжение сумматора: Uвых = Uвых1 + Uвых2 + Uвых3 + Uвых4 = 500 + 100 – 100- 100 = 400 мВ. В результате проектирования представленная на рисунке 7.2. и расчета получилась схема, Рис. 7.2 - Схема параллельного сумматора для реализации заданной функции. 8. МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ ELEKTRONIK WORKBENCH 8.1 Моделирование усилительного каскада на биполярном транзисторе Рис. 8.1.1 – Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе в среде Elektronik Workbench. В схеме вместо транзистора КТ315В используется транзистор 2N3903 как наиболее похожий па параметрам из всех транзисторов, предоставленных в библиотеке программы Elektronik Workbench. На вход схемы с помощью генератора подаем синусоидальный сигнал частотой 100 Гц и с амплитудой 10 мВ (рисунок 8.1.2). Рис. 8.1.2 – Параметры генератора. В результате на выходе схемы можно наблюдать усиление сигнала в 35 раз (рисунок 8.1.3). Рис. 8.1.3 – Осциллограмма выходного сигнала усилительного каскада на биполярном транзисторе. 8.2 Моделирование усилителя низкой частоты Рис. 8.2.1 – Схема усилителя низкой частоты в среде Elektronik Workbench. В схеме используется идеальный операционный усилитель. На вход схемы с помощью генератора подаем синусоидальный сигнал частотой 100 Гц и с амплитудой 10 мВ (рисунок 8.2.2). Рис. 8.2.2 – Параметры генератора. В результате на выходе схемы непроинвертированный сигнал, усиленный в N= 8.2.3). Рис. 8.2.3 – Осциллограмма выходного сигнала. можно наблюдать = 200 раз (рисунок 8.3 Моделирование сумматора на основе операционного усилителя Рис. 8.3.1 – Схема сумматора на основе операционного усилителя в среде Elektronik Workbench. В схеме сумматора используется идеальный операционный усилитель. На входы сумматора подаем единичное входное напряжение 100 мВ, в результате чего на выходе наблюдается напряжение 400 мВ (рисунок 8.3.2). Рис. 8.3.2 – Выходное напряжение сумматора. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данном курсовом проекте проанализированы теоретические вопросы, такие как: классификация, параметры и характеристики усилителей, влияние обратной связи на параметры и характеристики усилителей, усилительные каскады на биполярных транзисторах, параметры и характеристики операционных усилителей. Осуществлен расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе, спроектированы усилитель низкой частоты и сумматор на основе операционного усилителя. В среде Elektronik Workbench произведено моделирование схем усилительного каскада на биполярном транзисторе, усилителя низкой частоты и сумматора на основе операционного усилителя. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Studfiles - всё для учёбы. [Электрон. ресурс] - Режим доступа: http://www.studfiles.ru/dir/cat39/subj1381/file10202/view100334.html Лекции «Физические основы электроники» (Электронные цепи и микросхемотехника): Калиненко А.Г. (редакция Амелиной М.А.) Кафедра «Теоретические основы электротехники» [Электрон. ресурс] - Режим доступа: http://toe-kgeu.ru/automaticelements/183-automaticelements1 Москатов Е. А. Электронная техника. – Таганрог, 2004. – 121 стр. Основные характеристики [Электрон. усилителя. ресурс] Амплитудная характеристика. Режим доступа: – http://literaturki.net/elektronika/analogovaya-shemotehnika/85-osnovnyeharakteristiki-usilitelya Основные характеристики характеристика. усилителя. [Электронный ресурс] Амплитудно-частотная – Режим доступа: http://literaturki.net/elektronika/analogovaya-shemotehnika/86-amplitudnochastotnaya-harakteristika Основные характеристики [Электронный усилителя. ресурс] – Фазочастотная характеристика. Режим доступа: http://literaturki.net/elektronika/analogovaya-shemotehnika/87-fazochastotnayaharakteristika Основные характеристики [Электронный усилителя. ресурс] – Переходная Режим характеристика. доступа: http://literaturki.net/elektronika/analogovaya-shemotehnika/88-perehodnayaharakteristika Основные характеристики [Электронный усилителя. ресурс] – Динамические характеристики. Режим доступа: http://literaturki.net/elektronika/analogovaya-shemotehnika/89-dinamicheskieharakteristiki [Электронный ресурс] – Режим доступа: 1 «Изучение основных http://ikit.edu.sfu- kras.ru/files/3/L_22.pdf Лабораторная работа № схем включения операционного усилителя». Т48 Ткаченко Ф.А. Техническая электроника. – Мн.: Дизайн ПРО, 2002. – 368 с.: ил. ISBN 985-452-055-2 Характеристики операционных усилителей. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://de.ifmo.ru/bk_netra/page.php?tutindex=36&index=4 Радиоэлектроника - Документация, статьи, схемы. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://chip-info.narod.ru/datasheets/microchips/k544ud1b.html Бладыко Ю.В. - Электроника: Метод. пособие к выполнению расчетнографической работы по дисц. «Электроника», «Электротехника и электроника», «Электроника и микропроцессорная техника», «Электроника и информационно-измерительная техника» / Ю.В. Бладыко, Г.С.Климович, Л.С. Пекарчик. Под общ. ред. Ю.В. Бладыко. – Мн.: БНТУ, 2004. – 50 с. Простые сервисы. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://myservice.h17.ru/?page=reference&smtit=0 CHIPINFO - электронные компоненты и радиодетали для радиолюбителей [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.chipinfo.ru/dsheets/ic/544/ud1.html Бахметьев А.А., Колосов С.О. Интегральные микросхемы: Операционные усилители. Обзор – М.: ДОДЭКА, 1994г., 48 с. Операционные усилители К544УД1, К544УД1A, К544УД1Б, 544УД1, 544УД1A, 544УД1Б, КР544УД1, КР544УД1A, КР544УД1Б. Отзыв, характеристики, параметры, применение, datasheet. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://hw4.ru/circuitry-544ud1 Размещено на Allbest.ru
