Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ

Кафедра: “Информационные системы”

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Основы электроники и микросхемотехники»

на тему: «Разработка дифференциального усилителя»

Выполнил:

Студент 2 курса

групы АТ-012

Меделян Андрей Анатольевич

Руководитель:

доц. Ядрова Марина Васильевна

Одесса 2003

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Основные схемы включения операционных усилителей

2. Расчётная часть

2.1 Исходные данные

2.2 Расчёт дифференцирующего усилителя

2.3 Расчёт выходного каскада

Заключение

Список использованной литературы

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

Усилитель представляет собой два каскада: непосредственно дифференцирующий и усилитель мощности. Кроме описанных качеств каскадов, также они реализуют взаимное исключение поворота фазы на 180?. Каждый каскад представляет собой операционный усилитель с дополнительными элементами, реализующими необходимые качества каскадов. В дифференцирующем каскаде, это дифференцирующая цепь. В усилителе мощности, это двухтактный усилительный каскад на биполярных транзисторах, реализующий усиление по мощности сигнала и согласование низкой 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.

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

сумматор мощность операционный усилитель

1. Теоретическая часть

1.1 Основные схемы включения операционных усилителей

Рассмотрим некоторые виды ОУ наиболее часто встречающиеся в линейных схемах. Линейность схемы определяется зависимостью входного и выходного сигнала т.е. зависимость между входом и выходом определяется линейным оператором(выражением). Таковыми являются аналоговые интеграторы, дифференцирующие схемы, преобразователи ток-напряжение, стабилизаторы напряжения, инвертирующий и не инвертирующий усилители.

Рисунок 1.1 - Инвертирующее включение ОУ.

Фактически операционный усилитель это усилитель постоянного тока охваченный глубокой обратной связью.

Если колебания от источника входного сигнала и сигнал обратной связи поступают на вход усилителя в противофазе, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний на входе и выходе усилителя то такая обратная связь называется отрицательной.

Схема инвертирующего включения ОУ показана на рисунке 1.1, где инвертирующий вход обозначен кружочком, а не инвертирующий - не обозначен. Обычно цепь отрицательной обратной связи включают на 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:

,

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

,

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

Рисунок 1.2 - Инвертирующий сумматор.

Разновидностью инвертирующего усилителя является сумматор (рисунок 1.2), он позволяет получать на выходе суммарное напряжение, пропорциональное приложенным входным напряжениям. Через элемент цепи обратной связи Z_ос протекает суммарный ток, поэтому напряжения при Z_н=R₁

,

При выборе сопротивлений резисторов, которые задают коэффициент передачи, стоит пользоваться неравенством

,

где C_пар=0,10,5 pF - паразитная ёмкость резисторов, f_max - наибольшая частота, на которой усилитель сохраняет свои свойства.

Сопротивления резисторов R₁, R_{2, …,} R_n определяют как

, где i =1,2,…,n.

При проектировании необходимо учесть, что суммарное напряжение на входе не должно превышать максимально допустимого напряжения U_{вых max} для выбранного ОУ, то есть

,

Сопротивление нагрузки R_н для инвертора должно соответствовать условию

,

где I_{вых max} - максимально допустимый ток на выходе ОУ.

Таким образом, справедливы следующие положения для всех схем инвертирующего включения:

Суммирующая точка является «виртуальной землёй»;

Входные токи ОУ отсутствуют;

Ток, который протекает в суммирующую точку из входных цепей, равен току, который протекает в цепи обратной связи.

Источники сигнала и входные резисторы можно подключать и к не инвертирующему входу ОУ. (рисунок 1.3)



Рисунок 1.3 - Не инвертирующее 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_св=1 и усилитель работает как повторитель напряжения. На практике широко используется классическая формула

,

Входное и выходное сопротивления, не инвертирующего ОУ рассчитывают по формулам

,

Такие усилители преобразуют входные сигналы в интегральные функции времени. Для интегратора необходим один ОУ, который работает в инвертирующем режиме (рисунок 1.4). Интегрирующий усилитель строится заменой в схеме инвертирующего усилителя R_ос конденсатором C.

Рисунок 1.4 - Интегрирующий усилитель

При использовании ОУ с идеальными характеристиками

,

_з=RC - постоянная времени интегрирования; K₁=(RC)^-1 - масштабный коэффициент.

Масштаб интегрирования выбирают так, чтобы выходное напряжение усилителя не достигало на рабочем участке граничного значения U_{вых max}.

Коэффициент усиления интегрирующего усилителя зависит от частоты, и с ростом частоты коэффициент усиления, а также и выходное напряжение уменьшаются.

Зависимость коэффициента усиления от частоты показана на рисунке 1.5.



Рисунок 1.5

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

,

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

;R_max=100k

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.

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

,

где R_балU_{см. 0}/I_вх.

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

Рисунок 2.6 - 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=,

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.

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 1.7), 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. Т.е. транзисторы VT1 и VT2 представляют собой комплиментарную пару. 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 1.7 - Двухтактный усилитель мощности

2. Расчётная часть

2.1 Исходные данные

- Входное напряжение усилителя: 60 mV

- Сопротивление нагрузки: 4

- Выходное напряжение усилителя на максимальной рабочей частоте: 7 V

- Рабочий диапазон частот: 5 - 30 kHz

- Постоянная времени заряда дифференцирующего усилителя: 50S

Выполняем расчёт дифференцирующего усилителя, собранного на основе операционного усилителя DA1 - К140УД7

Таблица 2.1: Параметры операционного усилителя К140УД7

Uп. min

Uп. max

Uп. норм.

Iпотр

Uвх. max

Uвх. сф. max

Uвых. max

Rн. min

Rвх.

Iвх.

Kу. U

Uсм.0

Iвх

Kос. сф

f1

VU

V

V

V

mA

V

V

V

k

M

A

mV

nA

b

MHz

V/S

5

16.5

15

3.5

12

12

10.5

2

0.4

0.4

30000

9

200

70

0.8

10

Для формирования цепи дифференцирования выбираем конденсатора C ёмкостью равной C=0.01 F. Выбираем по справочнику соответствующий конденсатор, пользуясь рядом номинальных значений E24 -siemens cfp 0092c. Cправочная ёмкость которого-10nF

Находим величину резистора обратной связи - R₁.

Пользуясь справочником выбираем соответствующий резистор, пользуясь рядом номинальных значений E24 - МЛП-0,25-5К1 И. Его сопротивление - 5,1k

Необходимо проверить соответсвует ли данное сопротивление услвию(метод. указ.):

R_min=U_{вых. max оу}/I_{вых. max оу}; I_{вых. max оу}=U_{вых. max оу}/R_{н. min} => R_min=R_{н. min};

R_min=2k;

R_max=100 k 1 M;

Очевидно , что R_min<R₁<R_max

т.е., полученное значение и выбранный нами резистор удовлетворяют им заданным требованиям.

R₂ определим как сопротивление параллельно соединённых элементов R₁ , где C на минимальной рабочей частоте.

; R₂=|Z₂|=165

По справочнику выбираем соответствующий резистор, пользуясь рядом номинальных значений E24 - МЛТ-0,35-К16 И. Его сопротивление - 160

Определяем коэффициент передачи дифференцирующего усилителя на заданной частоте по формуле:

K_max=28. 33

Определяем выходное напряжение дифференцирующего усилителя на максимальной рабочей частоте:

V;

2.3 Расчёт выходного каскада

Расчёт усилителя мощности на транзисторах

Определим мощность, рассеиваемую на нагрузке:

W

Определим ток, протекающий через нагрузку:

A

Определим величину напряжения питания:

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

V

Полученное значение напряжения питания соответствует рекомендуемому по ГОСТ.

Выбираем тип выходных транзисторов VT3, VT4. Для этого определим мощность, рассеиваемую в коллекторных переходах этих транзисторов:

P_к=P_и-P_н,

где P_и=E_пI_н=151,75=26,25 W - мощность, потребляемая каскадом от источника питания.

P_к=26,25-12,25=14,1 W

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 I_{к max}>I_к; U_{кэ max}>2E_п; P_кmax>P_к; f_гр>2f_{гр max.}

По справочнику выбираем транзисторы. - КТ817А

Таблица 3.2: Параметры транзистора КТ817А

H21Эmin	Uкэ max, V	Iк max, A	fгр, MHz	Pк max, W
20	40	3	3	20

Выбираем тип операционного усилителя DA2 - К140УД7

Uп. min

Uп. max

Uп. норм.

Iпотр

Uвх. max

Uвх. сф. max

Uвых. max

Rн. min

Rвх.

Iвх.

Kу. U

Uсм.0

Iвх

Kос. сф

f1

VU

V

V

V

mA

V

V

V

k

M

A

mV

nA

b

MHz

V/S

5

16.5

15

3.5

12

12

10.5

2

0.4

0.4

30000

9

200

70

0.8

10

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

Данный коэффициент усиления больше, чем минимальный транзисторов VT3, VT4. Поэтому выбираем пару транзисторов VT1, VT2. Определяем коэффициент усиления по току, который необходимо обеспечить транзисторами VT1, VT2.

Определяем коллекторный ток транзистора VT1

mA

Выбираем комплиментарную пару транзисторов VT1, VT2 паспортные данные которых превышают полученные значения - Siemens BF421(VT2(PNP)), Siemens BF420(VT1(NPN)). Согласно фирменного руководства, эти два транзистора являются полностью комплиментарными. Ниже приведены характеристики транзисторов Philips 2N2222.

Таблица 2.4: Параметры транзисторов Siemens BF 421

H21Эmin	Uкэ max, V	Iк max, mA	fгр, MHz	Pк max, mW
35	30	500	100	500

Расчёт усилителя мощности по постоянному току.

Этот расчёт проводим графоаналитическим методом (Приложение В). Графическое построение проводим с помощью выходных и входных характеристик транзистора. На выходных характеристиках проводим линию нагрузки каскада по постоянному току, что изображает геометрическое место точек, координаты которых соответствуют возможным значениям точки покоя каскада.

Графическое уравнение линии нагрузки имеет вид

Построение линии нагрузки проведём по двум точкам: при U_кэ=0 - I_к=E_п/R_н=15/4=3,75 А, и при I_к=0 - U_кэ=E_п=15 V.

В режиме АВ постоянный ток коллектора I_кп=(0,050,15)I_к.max.

Определим I_кп=150 mA. Откладываем это значение на нагрузочной линии и определяем U_кп=13,5 V. Теперь по этим же характеристикам определяем ток покоя базы - I_бп=2 mA, а по входным - напряжение покоя базы U_бп=0,74 V.

Выбираем маломощные диоды в цепи делителя, у которых U_обр.max>2E_п - Д220 (U_{обр max}=50 V) для обеспечения напряжения смещения каскада в режиме АВ. Суммарное падение напряжения на диодах - 3U_бпvt3=2,22 V. Определяем ток покоя транзистора VT1 не более тока покоя транзистора VT3 - 1 mA. Поэтому берём два диода Д220, так как одного такого диода не достаточно для обеспечения напряжения смещения. Соответственно расчет ведём по характеристике одного диода, по напряжению U_бпvt3 так как диодов всего два, то и суммарное падение напряжения на них равно 3U_бпvt3. Находим ток делителя - I_дел=4 mA.

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

к

Определяем мощность, рассеиваемую на каждом резисторе: P=I_дел²·R=(4·10^-3)²·2,7710³=45 mW

Выбираем из линейки отечественных резисторов конкретную марку - УЛМ-0,125-2К7 И.

Расчёт элементов инвертирующего усилителя

Инвертирующий усилитель собран на операционном усилителе DA2 (Приложение А).

Выходной сигнал дифференцирующего 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=8,2 k; R₃=1,5 k

Определим мощность, рассеиваемую на резисторе R₄:

P=U_вых²/R₄=11²/(8,210³)=15 mW

Выбираем конкретный тип резистора - УЛМ-0,125 8К2 И.

Определим мощность, рассеиваемую на резисторе R₃:

P= U_вх.иу.²/R₃=2²/(1,510³)=3 mW

Выбираем конкретный тип резистора - УЛМ-0,125-1К5 И.

Балансное сопротивление R₅ определяется как параллельное включение R₄ и R₃:

k

Так как через этот резистор предназначен для компенсации тока смещения нуля операционного усилителя, то через него течёт небольшой ток и мощность, рассеиваемая на нём, сопоставима с мощностью, рассеиваемой на резисторах R₃, R₄. Поэтому выберем конкретный тип резистора - УЛМ-0,125-1К3 И.

Заключение

Приведённая схема является прикладным примером решения конкретной технической задачи, т.е. приём и усиление электрического сигнала. Другими словами, имея некоторые навыки работы с реальной РЭА возможно создание расчитаной схемы.

Выполненный расчёт электронного устройства представляет собой преобразователь и усилитель электрического сигнала с заданными входными параметрами.

Несомненно, ключевым моментом в выполнении этой работы является работа с конкретными элементами и их грамотное применение для решения поставленной задачи

В ходе курсовой работы мы спроектировали дифференцирующий усилитель, научились работать с литературой и оформлять схемы в соответствии с требованиями ЕСКД, проводить графоаналитический расчёт. Но, несомненно, самым главным в этой работе является то, что мы приобрели понимание и представление о расчёте и работе электрических элементов, что даёт нам чёткое представление о подходе к любого рода электротехнической задаче и её решении. Важнейшей необходимостью при проектировании электротехнических решений, является наличие технической документации на электронные компоненты от их фирм производителей.

Список использованной литературы

1. Промислова електроніка /В.С. Руденко, В.Я. Ромашко, В.В. Трифонюк./В-во “Либідь” - Київ, 1993

2. Основы электроники и микроэлектроники /Б.С. Гершунский/ Из-во «Выща школа» - Киев, 1989

3. Электроника. Полный курс лекций. 3-е издание. /В.А. Прянишников/ Из-во «КОРОНА принт» - Санкт-Петербург, 2003

4. Маркировка и обозначение радиоэлементов. /В.В. Мукосеев, И.Н. Сидоров/ Из-во «Горячая линия-Телеком» - Москва, 2001

5. Справочник по полупроводниковым приборам /В.Ю. Лавриненко/ Из-во «ТЕХНІКА» - Киев, 1984

6. Siemens SIPMOS-semiconductor small-signal components/Berlin, 1997

7. Справочник радиолюбителя конструктора /Б.Г Белкин/ «Энергия» ,Москва ,1978

8. Методические указания по оформлению технической документации в курсовом и дипломном проектировании для студентов специальности 22.01 всех форм обучения/Сост.И.В. Мартынов ,Т.А. Денисенко/Одесса ОПИ 1989. -52с.

9. Основы промышленной электроники / А.К.Криштафович, Трифонюк В.В./ «Высш. школа», Москва ,1985.

Размещено на Allbest.ru