Разработать усилитель медленноменяющегося знакопеременного напряжения на базе ОУ и транзисторного каскада
Курсовая по предмету:
"Электроника"
Название работы:
"Разработать усилитель медленноменяющегося знакопеременного напряжения на базе ОУ и транзисторного каскада"
Автор работы: Юлия
Страниц: 22 шт.
Год:2009
Краткая выдержка из текста работы (Аннотация)
Министерство образования и науки РФ
Московский Государственный Открытый Университет
Факультет информатики и радиоэлетроники
Кафедра информационных систем и измерительных технологий
Курсовая работа
по дисциплине: «Электроника и микропроцессорная техника.Часть1»
Тема: «Разработать усилитель медленноменяющегося знакопеременного напряжения на базе ОУ и транзисторного каскада»
Задание №2
Выполнил (а)
студент (ка) … курса
специальность 200106
Ф.И.О……………..
шифр ……………..
Руководитель курсовой работы ____________________
Студент _____________________
«___» __________ 2009 г.
Руководитель _____________________
«___» __________ 2009 г.
Москва, 2009 г.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Начальные данные задания 4
2. Назначение и принцип работы схемы 5
2.1 Расчет 6
3. Структурная схема 10
4. Функциональная схема 14
5. Принципиальная электрическая схема 14
Список литературы 20
ВВЕДЕНИЕ
Операционные усилители (ОУ), являющиеся практически идеальными усилителями напряжения, находят широкое применение в аналоговой схемотехнике. Несмотря на ряд ограничений, присущих реальным ОУ, при анализе и синтезе большинства схем используют идеальные модели операционных усилителей, считая, что: коэффициент усиления дифференциального напряжения бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала; коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю; сопротивление по обоим входам бесконечно велико; отсутствует напряжение смещения нуля и его дрейф; скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.
Параметры реальных ОУ несколько хуже. Однако знание реальных значений параметров конкретного операционного усилителя позволяет достаточно просто оценить погрешность схемы и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУ в конкретном устройстве.
1. Начальные данные задания
Задание №2
Разработать усилитель медленноменяющегося знакопеременного напряжения на базе ОУ и транзисторного каскада по данным:
, – шаг изменения диапазона; Условное обозначение для программы: A
, – шаг изменения диапазона; Условное обозначение для программы: B
, – шаг изменения диапазона; Условное обозначение для программы: C
, – шаг изменения диапазона; Условное обозначение для программы: D
Rн –допустимое значение сопротивления нагрузки ОУ;
Rвх – входное сопротивление транзисторного каскада;
Rи – внутреннее сопротивление источника входного сигнала;
KU – коэффициент усиления напряжения;
2. Назначение и принцип работы схемы
Для начала полного изучения принципа работы всей схемы, выберем схему выходного транзисторного каскада усилителя (рекомендуется двухтактный миттерный повторитель на транзисторах с дополнительной симметрией), данная схема:
Рассмотрев данную схему, выбираем ее тип: n-p-n типа КТ3130А с параметрами: Pк.макс=200 мВт, Iк.макс=200 мА, h21 = 200:
Ток эмиттера является входным током, ток коллектора – выходным. Выходной ток составляет часть входного, т.е.
2.1 Расчет
где - коэффициент передачи тока для схемы ОБ;
1. Входное сопротивление
h11 = U1/I1=5 при U2 = const. (4.4)
представляет собой сопротивление транзистора переменному входному току при котором замыкание на выходе, т.е. при отсутствии выходного переменного напряжения.
2. Коэффициент обратной связи по напряжению:
h12 = U1/U2=100 при I1 = const. (4.5)
показывает, какая доля входного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие обратной связи в нем.
3. Коэффициент усилия по току (коэффициент передачи тока):
h21 = I2/I1=10 при U2 = const. (4.6)
показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки.
4. Выходная проводимость:
h22 = I2/U2= 200 при I1 = const.
Поскольку выходной ток меньше входного, то коэффициент 1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина составляет 0,950,995.
Из принципа действия транзистора известно, что через вывод базы протекают во встречном направлении две составляющие тока (рис. 4.6): обратный ток коллекторного перехода Iко и часть тока эмиттера (1 − )Iэ. В связи с этим нулевое значение тока базы (IБ = 0) определяется равенством указанных составляющих токов, т.е. (1 − )Iэ = Iко. Нулевому входному току соответствуют ток эмиттера Iэ=Iко/(1−)=(1+)Iко и ток коллектора:
Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р-n- перехода закрыты). Если же на обоих переходах напряжение прямое (оба р-n- перехода открыты), то транзистор работает в режиме насыщения.
выбрать тип операционного усилителя по критериям: Uп1,2 =Uк , где Uп является допустимым напряжением питания для ОУ, Uк – напряжения коллекторного питания выходного каскада; Rн 0,1Rвх,
В справочниках обычно не приводится семейство входных характеристик, а даются лишь характеристики для UКЭ = 0 и для некоторого UКЭ 0.
Входные характеристики для различных UКЭ, превышающих 1В, располагаются очень близко друг к другу. Поэтому расчет входных токов и напряжений можно приближенно делать по входной характеристике при UКЭ 0, взятой из справочника.
На эту кривую переносятся точки А, То и Б выходной рабочей характеристики, и получаются точки А1, Т1 и Б1 . Рабочая точка Т1 определяет постоянное напряжение базы UБЭП и постоянной ток базы IБП.
Сопротивление резистора RБ (обеспечивает работу транзистора в режиме покоя), через который от источника ЕК будет подаваться постоянное напряжение на базу:
В активном (усилительном) режиме точка покоя транзистора То находится примерно посередине участка линии нагрузки АБ, а рабочая точка не выходит за пределы участка АБ.
В рассматриваемой упрощенной теории коэффициенты a , a I , b , b I считаются постоянными, однако опыт показывает, что они изменяются, как при изменении тока связи iЭ-К (на практике рассматривают зависимость от тока эмиттера iЭ, отличающегося от тока связи на несколько процентов, но легко измеряемого), так и от обратного напряжения на коллекторном переходе uКП. Типичный вид зависимостей для b показан на рис.1. (Коэффициент a изменяется аналогично, но его изменениями можно пренебречь, так как a » 1. Пример: если a =0,99, то b = a /(1- a) =99 , а при a =0,98 b =49. Таким образом, изменению a на 1% соответствует изменение b примерно в 2 раза). В области малых токов эмиттера (рис.1 , участок 1) спад b связан с рекомбинацией носителей в самом эмиттерном переходе; в области больших токов (участок 3) уменьшение b связано с увеличением концентрации дырок в базе и возрастанием дырочной составляющей тока эмиттерного перехода. Возрастание b с увеличением обратного напряжения на коллекторе вызвано уменьшением ширины базы и рекомбинационных составляющих токов.Точка пересечения линии нагрузки с одной из статических ВАХ называется рабочей точкой транзистора. Изменяя IБ, можно перемещать ее по нагрузочной прямой. Начальное положение этой точки при отсутствии входного переменного сигнала называют точкой покоя –
Рис. 1
Выбор схемы выпрямителя
Определим сопротивление нагрузки:
Rн = Ud н / Id н;
Rн = = 10 Ом.
Выпрямленная мощность
Pd = Ud н •Id н;
Pd =160 • 16 = 2 560 Вт.
При мощностях, превышающих 1 кВт, рекомендуется применять выпрямители трехфазного тока. Для уменьшения размеров трансформатора и фильтра выбираем схему Ларионова, имеющую высокие технико-экономические показатели.
Выбор вентилей
Для выбранной схемы определим средний ток через диод:
;
А
Ориентировочное значение обратного напряжения на вентиле
Uобр m > 1,045 Ud н.
Принимаем Uобр m = 1,1•1,045Ud н;
Uобр m = 1,1•1,045•160 = 183,92 В.
По справочным данным выбираем тип вентиля. В данном случае подходит диод типа Д215А (6 вентилей, по одному вентилю в каждом плече моста), который имеет следующие параметры: номинальный прямой ток Iа н = 10 А; прямое падение напряжения Uа = 1 В; допустимое обратное напряжение Uобр доп =200 В; среднее значение обратного тока Iобр = 3 мА.
Выбор и расчет схемы фильтра
В трехфазных схемах выпрямления средней и большой мощности наиболее целесообразно использовать сглаживающий фильтр с индуктивной реакцией, т. е. начинающийся с дросселя. Необходимый коэффициент сглаживания фильтра с учетом явления коммутации
где k п вх – коэффициент пульсаций на выходе вентильной группы.
Для трехфазной мостовой схемы выпрямления Ларионова kп = 0,057. Тогда коэффициент сглаживания
S = (1,5,...,2,0) = 20,5.
Так как S>20 выбираем Г-образный LС-фильтр.
Для схемы Ларионова fо.г = 300 Гц. Рассчитываем минимальное значение индуктивности дросселя, Гн
Гн.
Определяем значение емкости конденсатора, мкФ
.
3. Структурная схема
По графикам определим и значения:
Iб0=0,3 мА;
±Im б = ±0,5 (Iб max – Iб min);
Im б = 0,5 (0,5– 0,1) = 0,2 мА;
Iк0=22 мА;
±Im к = ±0,5 (Iк max – Iк min);
Im к = 0,5 (34-8) =13 мА;
Iэ0 = Iб0+Iк0;
Iэ0=0,0003+0,022 = 0,0223 А;
Uбэ0=0,24 В;
±Um бэ = ±0,5 (Uб max – Uб min);
Um бэ = 0,5 (0,275 - 0,18) = 0,095 В.
Uкэ0 = 6,2 B
±Um кэ = ±Um вых = ±0,5(Uкэ max – Uкэ min).
Um кэ = 0,5(10,4 - 2,0) = 4,2 B.
Рассчитаем значения hэ-параметров для схемы с общим эмиттером:
h11э = h11б / (1+h21б);
h11э = 25 / (1+(-0,98)) = 1250 Ом.
h12э = (h11бh22б – h12бh21б – h12б) / (1+h21б);
h12э = (25 1 10-6 – 2 10-3 (-0,98) – 2 10-3) / (1-0,98)= -0,00075.
h21э = – h21б / (1+h21б);
h21э = – (-0,98) / (1-0,98) = 49.
h22э = h22б / (1+h21б);
h22э = 1 10-6 / (1-0,98)=1 10-5 См
Для схемы включения транзистора с общим эмиттером определим входное сопротивление транзистора:
rвх транз = h11э;
rвх транз =1250 Ом.
Определим коэффициент передачи тока:
= h21э;
= 49.
Рассчитаем значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов:
Rэ = (0,2,…,0,3) Eк / Iэ0;
При подстановке значений получаем:
Rэ = 0,25 / 0,0223 = 151,35 Ом.
Принимаем Iдел = (2,…,5) Iб0; Iдел = 3,5 0,0003 = 0,00105 А.
Рассчитаем делитель напряжения на резисторах R1 и R2:
R1 = (Iэ0Rэ + Uбэ0) / Iдел;
R1 =(0,0223 151,35 + 0,24) / 0,00105 = 3442,95 Ом.
R2 = (Eк – IделR1) / (Iдел + Iб0);
R2 = (13,5 – 0,00105 3442,95) / (0,00105 + 0,0003) = 7323,15 Ом
Рассчитаем напряжение, позволяющее регулировать разность потенциалов Uкэ.
Rк = (Eк – Uкэ0 – Iэ0Rэ) / Iк0;
Rк = (13,5 – 6,2–0,0223 151,35)/0,022 = 178,4 Ом.
Рассчитаем эквивалентное сопротивление базовой цепи для переменной составляющей входного тока:
Rб = R1R2 / (R1+R2);
Rб = 3442,95 7323,15/(3442,95 + 7323,15) = 2341,9 Ом.
Значения емкости конденсаторов при частотной полосе входного сигнала в пределах fн = 100 Гц, fв = 10000 Гц определяются так:
Cэ = 107 / [(1,…,2)2fнRэ];
Cр1 = Cр2 = 107 / [(1,…,2)2fнRкаск вх],
где Cэ, Cр1 и Cр2 – в мкФ.
При подстановке значений получаем:
Cэ = 107 / [1,5 2 3,14 100 151,35] = 76,75 мкФ.
Определим параметры усилительного каскада.
Рис. 2 . Расчетные значение (графическое постраение)
Входное и выходное сопротивления каскада определяются следующим образом:
Rкаск вх = Rбrвх.транз / (Rб + rвх.транз);
Rкаск вх = 2341,9 1250/ (2341,9+1250) = 815 Ом.
Rкаск вых = Rк / (1 + h22эRк);
Rкаск вых = 178,4 / (1+1 10-5 ) = 178,08 Ом.
Cр1 = Cр2 = 107 /[1,5 2 3,14 100 815] = 13,03 мкФ .
Коэффициенты усиления каскада без дополнительной внешней нагрузки, а также без учета внутреннего сопротивления источника входного сигнала имеют вид:
KI = Iвых / Iвх ; KI=49.
KU = – ( Rк) / Rкаск вх;
KU = – (49 ) /815 = -10,73.
KP = KIKU;
KP=49 (-10,73) = –525,6.
Полезная выходная мощность каскада
Pвых = 0,5 (Um вых)2 / Rк;
Pвых = 0,5 (4,2)2 / 178,4 = 0,0494 Вт.
Полная мощность, расходуемая источником питания,
P0 = Iэ0Eк + I2дел (R1 + R2) + I2б0R2;
P0 =(0,00105)2 (3442,95 + 7323,15) +(0,0003)2= 0,314 Вт.
Вычислим электрический КПД усилительного каскада
э = (Pвых / P0) 100%;
э = (0,0494/ 0,314) 100% = 15,7%.
Вычислим коэффициент нестабильности каскада по коллекторному току (желательно, чтобы он был меньше)
S = / (1+);
где = Rэ / (Rб + Rэ).
= 151,35/ (2341,9 + 151,35) = 0,061;
S =49 / (1+49 0,061) = 12,33.
S (Rб + Rэ) / [(1+h21б) Rб + Rэ],
S ( 2341,9 + 151,35) / ((1-0,98) 2341,9 + 151,35) = 12,58.
4. Функциональная схема
5. Принципиальная электрическая схема
Рис. 4.Входные характеристики КТ3140А транзистора с ОЭ.
Рис. 5. Выходные характеристики КТ3140А транзистора с ОЭ.
Временные диаграммы
Таблица элементов
Поз.
обоз. Наименование Кол Примечание
R резистор С2-24-0.25-200Ом 1%
1
VD стабилитрон Д814В 1
Поз.
обоз. Наименование Кол Примечание
Резисторы
R1 С2-22-0.125-680Ом 0.5%
1
R2 C2-23-0.125-8.2КОм 5%
1
VD стабилитрон 2С213Б 1
Поз.
обоз. Наименование Кол Примечание
Конденсаторы
C1 К50-3-60В-510мкФ 1
C2 К50-3-60В-22мкФ 1
C3 то же 1
Дроссели
L1 1
L2 1
Поз.
обоз. Наименование Кол Примечание
Резисторы
R1 С2-23-0.125-6.2кОм 5%
1
R2 С2-23-0.125-18КОм 5%
1
R3 СП3-10М-0.25-2.4МОм 10%
1 Подбирается
при настройке
R4 С2-23-0.125-5.1кОм 5%
1
Конденсаторы
C1 К53-4А-0.22мкФ 10%
1
C2 К53-4А-0.1мкФ 10%
1
Транзисторы
VT1 МП111А 1
VT2 МП111А 1
Поз.
обоз. Наименование Кол Примечание
Резисторы
R1 С2-24-0.25-2.4кОм 1%
1
R2 С2-22-0.125-430Ом 1%
1
R3 С2-27-1.0-60Ом 0.5%
1
R4 С2-27-0.5-75Ом 0.5%
1
R5 С2-24-0.5-51Ом 5%
1
Конденсаторы
C1 К50-6-100В-2200мкФ 10%
1
C2 К73-11-15мкФ 5%
1
C3 К50-6-50В-1.2мкФ 10%
1
C4 К53-4А-0.33мкФ 10%
1
VT1 транзистор МП25А 1
Поз.
обоз. Наименование Кол Примечание
Резисторы
R1 С2-23-0.125-4.3кОм 1%
1
R2 С2-23-0.125-56кОм 1%
1
R3 СП3-10М-0.25-10кОм 10%
1 Подбирается
при настройке
R4 С2-23-0.125-5.6кОм 1%
1
R5 С2-23-0.125-620кОм 1%
1
Конденсаторы
C1 К10-17-0.02мкФ 5%
1
C2 К53-1-3.9мкФ 10%
1
Диоды
VD1 КД522Б 1
VD2 КД522Б 1
DA микросхема 140УД6 1
Список литературы
1. Красько А.С. Проектирование аналоговых электронных устройств - Томск: ТУСУР, 2000. - 29с.
2. Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов - М.: Связь, 1977. - 360с.
3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник / А.А. Зайцев, А.И. Миркин; Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1989. - 640с.
4. Титов А.А. Расчет элементов высокочастотной коррекции усилительных каскадов на биполярных транзисторах: Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию для студентов радиотехнических специальностей. - Томск: Томск. ТУСУР, 2002. - 47с.
5. Цыкин Г.С. Усилительные устройства. - М.: Связь, 1971. - 367с.
6. Методические указания к самостоятельным занятиям по курсу электроники / В.В. Харламов, Р.В. Сергеев, П.К. Шкодун; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. 44с.
7. Общая электротехника / Под ред. А.Т. Блажкина. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 592 с.
8. Электротехника / Под ред. В.Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1985. 480с.
9. Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1986. 336 с.
Содержание работы
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Начальные данные задания 4
2. Назначение и принцип работы схемы 5
2.1 Расчет 6
3. Структурная схема 10
4. Функциональная схема 14
5. Принципиальная электрическая схема 14
Список литературы 20
Использованная литература
- Красько А.С. Проектирование аналоговых электронных устройств - Томск: ТУСУР, 2000. - 29с.
- Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов - М.: Связь, 1977. - 360с.
- Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник / А.А. Зайцев, А.И. Миркин; Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1989. - 640с.
- Титов А.А. Расчет элементов высокочастотной коррекции усилительных каскадов на биполярных транзисторах: Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию для студентов радиотехнических специальностей. - Томск: Томск. ТУСУР, 2002. - 47с.
- Цыкин Г.С. Усилительные устройства. - М.: Связь, 1971. - 367с.
- Методические указания к самостоятельным занятиям по курсу электроники / В.В. Харламов, Р.В. Сергеев, П.К. Шкодун; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. 44с.
- Общая электротехника / Под ред. А.Т. Блажкина. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 592 с.
- Электротехника / Под ред. В.Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1985. 480с.
- Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1986. 336 с.