Размещено на http://www.allbest.ru/

ОГЛАВЛЕНИЕ

операционный усилитель интегрирующий транзистор каскад

Задание

Введение

1 Теоретическая часть

1.1 Инвертирующее включение ОУ.

1.2 Неинвертирующее включение ОУ

1.3 Интегрирующий усилитель

1.4 Дифференцирующий усилитель

1.5 Выходные каскады

2 Расчетная часть

2.1 Расчет интегрирующего усилителя

2.2 Расчет выходного каскада

2.2.1 Расчет усилителя мощности на транзисторах

2.2.2 Расчет усилителя мощности по постоянному току

2.2.3 Расчет элементов инвертирующего усилителя

Выводы

Используемая литература

Примечания



ЗАДАНИЕ

Разработать интегрирующий усилитель на основе операционного усилителя с выходным каскадом на транзисторах. Провести графоаналитический расчет выходного каскада.

Uвх = 500 мВ	Входное напряжение
Uвых =11В	Выходное напряжение усилителя на минимальной рабочей частоте
= 11 Ом	Сопротивление нагрузки
fp = 1-500 кГц	Рабочий диапазон частот
з = 50 мкс	Постоянная времени заряда интегрирующего усилителя
р =10з=500 мкс	Постоянная времени разряда интегрирующего усилителя



ВВЕДЕНИЕ

В течение последних более чем четверть века промышленная электроника переходит на качественно новые способы и методы работы, т.е. становятся совершеннее, точнее и более универсальными. Всякий производственный процесс для контроля и регулирования требует преобразования некоторых электрических характеристик тока. Именно поэтому данная курсовая работа актуальна.

В следующей курсовой работе ведётся расчёт интегрирующего операционного усилителя с выходным усилительным каскадом на транзисторах.

Усилитель представляет собой два каскада: непосредственно интегрирующий и усилитель мощности. Каждый каскад представляет собой операционный усилитель с дополнительными элементами, реализующими необходимые качества каскадов. В интегрирующем каскаде, это интегрирующая цепь. В усилителе мощности, это двухтактный усилительный каскад на биполярных транзисторах, реализующий усиление по мощности сигнала и согласование низкоомной нагрузки с выходом операционного усилителя.

Целью данной работы является цель - получить практические навыки по разработке усилительных устройств, а также навыки в работе с технической документацией, чтением схем, работе со справочными данными, оформлению электрических схем, закрепить знания, полученные на курсе “Электроника и микросхемотехника”.

Так как выходные каскады усилителя являются основными потребителями энергии источника питания, они работают в режиме класса АВ, обеспечивая высокий К.П.Д..



1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Рассмотрим некоторые виды ОУ, которые часто встречаются в линейных схемах, в которых входные и выходные сигналы связаны линейным оператором. Такими есть аналоговые интеграторы, дифференциальные схемы, преобразователи тока, напряжения, стабилизаторы напряжения, инвертирующий и неинвертирующий усилители.

1.1 Инвертирующее включение ОУ

Рисунок 1.1 - Инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего включения ОУ показана на рис. 1.1. Обычно цепь негативной обратной связи (НОС) включают на не инвертирующий вход. В данном случае. Имеет место параллельная обратная связь по напряжению. Коэффициент передачи такой цепи.

.

где R_вх.д - дифференциальное входное сопротивление ОУ;

K - коэффициент усиления ОУ.



На практике применяют упрощённую формулу для расчета коэффициента передачи:

, (1.1)

а сопротивление Z₁ можно рассчитать как параллельное соединение сопротивлений R_ос и R₁

, (1.2)

Полное выходное сопротивление схемы (в точках приложения напряжения U₁)

,

Выходное сопротивление схемы

,

Простейшей схемой использования ОУ в инвертирующем включении является повторитель напряжения при R₁=R_ос=R.

При этом K_св=-1; Z_вх=R(1+K^-1)=R; Z_вых=R_вых(1+K)^-1

1.2 Неинвертирующее включение ОУ

Источники сигнала и входные резисторы можно подключать и к неинвертирующему входу ОУ (рисунок 1.2).



Рисунок 1.2 - Неинвертирующее включение ОУ

При замкнутой цепи обратной связи

U₁=I₁Z₁=U_выхZ₁/(Z₁+Z_ос); U_вых=K(U₂-U₁),

При совместном решении этих уравнений получим:

.

При Z₁Z_ос^-1=K-1, K=1 и усилитель работает как повторитель напряжения. На практике широко используется классическая формула

, (1.5)

Входное и выходное сопротивления, неинвертирующего ОУ рассчитывают по формулам



1.3 Интегрирующий усилитель

Такие усилители преобразуют входные сигналы в интегральные функции времени. Для интегратора необходим один ОУ, который работает в инвертирующем режиме (рисунок 1.3). Интегрирующий усилитель строится заменой в схеме инвертирующего усилителя R_ос конденсатором C.

Рисунок 1.3 - Интегрирующий усилитель

При использовании ОУ с идеальными характеристиками

, (1.6)

где _з=RC - постоянная времени интегрирования;

K₁=(RC)^-1 - масштабный коэффициент.

Масштаб интегрирования выбирают так, чтобы выходное напряжение усилителя не достигла на рабочем участке граничного значения

Коэффициент усиления определяется при Z_R=R; Z_c=1/jC

(1.7)

Зависимость коэффициента усиления от частоты показана на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4

Обычно выбирают C=0.01 1 F. R- C - цепь заряда конденсатора. Постоянная времени интегратора _з=K₁^-1 задаётся.

Сопротивление R рассчитывается по формуле

, (1.8)

Следует учитывать, что выбранное сопротивление R должно удовлетворять следующему условию:

; R_max=100k (1.9)

Для уменьшения времени разряда конденсатора необходимо включить параллельно конденсатору C резистор R_ос или транзисторный ключ.

R_ос - С - цепь разряда конденсатора, _р=R_осС.

Зная постоянную времени разряда и значения ёмкости, определяют сопротивление резистора R_ос.

Найденное значение R_ос должно удовлетворять следующему условию:

;R_max=100k - 1M. (1.10)

Балансное сопротивление R_бал (если он предусмотрен в схеме) выбирают из условия

, (1.11)

где R_балU_{см. 0}/I_вх.

1.4 Дифференцирующий усилитель

Заменив местами, резистор и конденсатор в цепи отрицательной обратной связи интегратора, получим схему, которая выполняет обратную операцию, то есть дифференцирование.

Рисунок 1.5 - Дифференцирующий усилитель

При K?, U_вых=-R_осC,

где R_осС=_з - постоянная дифференцирования, которая выбирается так, чтобы выходное напряжение усилителя не достигало на рабочем участке граничного значения.

Коэффициент усиления определяется при Z_ос=R_ос; Z_c=1/jC

K=, (1.12)

то есть коэффициент усиления дифференциального усилителя зависит от частоты, и с ростом частоты коэффициент усиления, а значит и выходное напряжение увеличиваются.

Обычно выбирают C=0.01 - 1 F.

Постоянная времени дифференцирования _з=R_осС

Зная постоянную времени дифференцирования и задаваясь значением ёмкости, выбирают сопротивление резистора R_ос.

Полученное значение R_ос должно удовлетворять следующему условию:

; R_max=100k - 1M.

По формуле

на заданной частоте определяют коэффициент усиления дифференцирующего усилителя.



1.5 Выходные каскады

Если устройство должно работать на низкоомной нагрузке, то в качестве выходного каскада может использоваться усилитель мощности на основе операционного усилителя с выходным каскадом на транзисторах. Усиление по току будет производиться двухтактным выходным каскадом на транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4 (рисунок 1.6), где в качестве выходных транзисторов VT3, VT4, используются транзисторы с проводимостью одного типа, а в качестве транзисторов VT1, VT2 используются транзисторы с проводимостью разных типов. Желательно, чтобы это было комплиментарная пара (транзисторы с проводимостью разных типов, но с одинаковыми параметрами).

Выходной каскад работает в двухтактном режиме, при подаче с выхода ОУ на вход конечного каскада гармоничного сигнала, плечи транзисторов включаются по очереди, то есть сигнал, который отпирает транзисторы VT1, VT3, запирает транзисторы VT2, VT4.

Диоды VD1 - VD3 обеспечивают параметрическую температурную стабилизацию режима работы и вместе с резисторами R4, R5 обеспечивают выбранный режим работы транзисторного каскада.

Для получения большей мощности с высоким КПД используются двухтактные каскады, которые работают в режиме B, однако при этом имеют место большие нелинейные искажения усиленного сигнала за счёт влияния нелинейного участка статической входной характеристики транзистора, на который попадает рабочая точка транзистора. Лучшим является режим АВ, который также обеспечивает высокий КПД. На базы транзисторов обоих плечей каскада подаётся небольшое смещение, при котором в цепи коллектора каждого транзистора протекает небольшой ток

I_кп=(0,05 - 0,15)I_{к max}, который исключает влияние начального нелинейного участка входной характеристики транзистора. Исходя из этого, производится выбор рабочей точки транзистора.

В выходном каскаде, который работает в режиме АВ, плечи двухтактной схемы работают по очереди, каждое в течение одного полупериода сигнала. Для упрощения расчёта такого каскада считается, что один усилительный элемент работает в течение всего периода сигнала. Это позволяет выполнить расчёты по семейству характеристик одного элемента, получая при этом данные, касающиеся всего каскада.

Рисунок 1.6 - Двухтактный усилитель мощности



2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет интегрирующего усилителя

Расчет интегрирующего усилителя производим на основе операционного усилителя К140УД6 с характеристиками (U_{п ном}= 15 В и R_н = 1 кОм):

Напряжение питания	(5-20) В
Максимальное выходное напряжение	11 В
Входной ток	0.1 мкА
Разность входных токов	>25 нА
Ток потребления	> 4 мА
Коэффициент усиления напряжения	< 30000
Входное сопротивление	1 кОм
Граничная частота	1 МГц

Для формирования цепи интегрирования выбираем керамический конденсатор К10-17Б ёмкостью равной C=0.01 мкФ ±10%, U=50 В.

Находим величину резистора обратной связи - R₁.

Пользуясь рядом номинальных значений E24, выбираем резистор МЛТ-0,25-5,1кОМ±5%, сопротивление которого R1=5,1кОм.

Необходимо проверить соответствует ли данный резистор условию: R_min<R₁<R_max

R_min= Е_{п ном} /I_{вых. max оу}=15 В / кОм

R_min=1.36 кОм;

R_max=100 k 1 M;

Очевидно, что R_min<R₁<R_max т.е., полученное значение и выбранный нами резистор удовлетворяют заданному требованию.

R₂ определим как сопротивление параллельно соединённых элементов R₁ и R₃.

R₂= R₁=5,1кОм.

По формуле на заданной частоте определяем коэффициент передачи интегрирующего усилителя:

.

Следовательно, найдем коэффициент передачи интегрирующего усилителя на минимальной рабочей частоте:

Определяем выходное напряжение интегрирующего усилителя на минимальной рабочей частоте:

;

2.2 Расчет выходного каскада

2.2.1 Расчет усилителя мощности на транзисторах

Из задания по курсовому проекту задано сопротивление нагрузки R_н и действующее значение напряжения на нагрузке U_вых.. Используя эти значения, определяем мощность, которая выделяется на нагрузке

Вт

Определим ток, протекающий через нагрузку:

A

Определим величину напряжения питания:

где V - величина, которая соответствует нелинейному участку входных характеристик транзистора. Выбираем В

В

Данное значение Uпитания соответствует ГОСТ стандарту.

Чтобы выбрать выходные транзисторы VT3, VT4 определим мощность, рассеиваемую в коллекторных переходах этих транзисторов:

P_к=P_и-P_н,

где P_и=E_пI_н=151=15 Вт - мощность, потребляемая каскадом от источника питания.

P_к=15-11=4 Вт

По найденным значениям P_к, E_п, I_к=I_н выбираем транзисторы VT3, VT4, у которых максимально допустимые паспортные данные требуемых параметров несколько превышают полученные значения.

Для выбора транзисторов необходимо учитывать, что:



Выбираем транзисторы по следующим данным: I_{к max}>1A; U_{кэ max}>30В; P_кmax>4Вт; f_гр>1МГц.

По справочнику выбираем npn транзисторы - КТ815А.

Его характеристики:

Pк max (предельная постоянная рассеиваемая мощность коллектора)	10 Вт
Uкэ max (предельное постоянное напряжение коллектор - эмиттер)	40 В
Iк max (предельный постоянный ток коллектора)	1,5A
fгр max (граничная частота коэффициента передачи тока)	3MHz
h21эmin	40

Далее мы выбираем операционный усилитель общего применения, например, К140УД6. Т.к. его выходное напряжение больше напряжения на нагрузке. Для дальнейших расчетов выпишем его I_{вых мах оу}=11мА.

Определяем коэффициент усиления по току, который обеспечивается выходным транзисторным каскадом.

КI= І_н/І_{вих мах ОУ} =1А / 0,011А = 90.9

Чтобы добиться нужного усиления по току, введём пару транзисторов VT1 и VT2. Найдем коэффициент усиления по току:

h_21VT1=K₁/ h_21VT3= 90.9/40= 2.27

Выбираем транзисторы средней мощности VT1,VT2 паспортные данные которых превышают полученные расчетные значения:

КТ361Е (p-n-p)	КТ342А(n-p-n)

2.2.2 Расчет усилителя мощности по постоянному току

Этот расчет проводится графоаналитическим методом с помощью входных и выходных ВАХ транзистора VT3. Построим линию нагрузки на выходной ВАХ, которая имеет вид:

Удобно строить линию нагрузки по двум точкам:

1. Режим холостого хода: I_k = 0, U_кэ = Е_пит = 15V

2. Ток короткого замыкания: U_кэ = 0, І_к = А

Т.к. мы работаем в режиме АВ, при котором достигается максимальный КПД при минимальных линейных искажениях, то

I_кп = 0,15*1,36A = 0,2A - рабочая точка.

U_ке= 13V

I_бп=5mA

U_бэп=0.8V

Полученные значения I_бп и U_бэп мы получили из входной и выходной ВАХ транзистора VT3 КТ815А.

Чтобы обеспечить напряжение смещения транзисторного каскада в режиме АВ используем маломощные диоды. При этом должно выполняться условие: (30 В). Суммарное падение напряжения должно быть равно 3U_бэп , т.е. U=2,4 В .

Возьмём три диода КД103А, известно что Uпр=0.8V, согласно ВАХ диода этому значению напряжения соответствует Iпр=25мА.

Проверим температурную стабильность режима покоя. Для этого наш ток делителя должен удовлетворять условию:

Выбираем резисторы в цепи делителя. Находим расчётные значения сопротивлений по формуле:

Ом

Определяем мощность, рассеиваемую на каждом резисторе:

P=I_дел²·R=0,025²·460=0,3Вт

2.2.3 Расчет элементов инвертирующего усилителя

Выходной сигнал интегрирующего усилителя является входным сигналом инвертирующего усилителя U_{вх. иу.}

Определим коэффициент усиления по напряжению выходного каскада:

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя связан следующим соотношением:

Задаваясь R_4, определим R₃:

R₄=7,5 k; R₃= 1,08 кОм

По ряду Е24 R₃=1,1 кОм.

Балансное сопротивление R₅ определяется как параллельное включение R₄ и R₃:

кОм

По ряду Е24 R₅=1 кОм.

Размещено на http://www.allbest.ru/