Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и образования

Одесский национальный политехнический университет

Кафедра информационные системы

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Электроника и микросхемотехника»

на тему: «Разработка интегрирующего усилителя с выходным каскадом на транзисторах»

Выполнила Кащенко Е.Е.

Группа АТ-072

Номер варианта 12

Проверил доц. Ядрова М.В.

Одесса 2009

Содержание

Задание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Основные схемы включения операционных усилителей

1.2.2 Инвертирующий сумматор

1.2.3 Не инвертирующее включение ОУ

1.2.4 Интегрирующий усилитель

1.2.5 Дифференциальный усилитель

1.3 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

3. Моделирование

Вывод

Литература

Задание

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

1.Начальные данные:

U_вх = 80mV; U_вых при f_min = 6V;

R = 3 ;

f_p = 1-100kHz;

_з = 30 S;

_р = 10 _з ;

Введение

Целью данного курсового проекта является разработка интегрирующего усилителя с выходным каскадом на транзисторах и проведение графоаналитического расчета выходного каскада.

В ходе выполнения курсового проекта использовались новейшие справочники по элементам электрических цепей.

Данный усилитель должен выполнять усиление по напряжению и току. Усилитель состоит из двух частей интегратора и выходного каскада на транзисторах. С помощью интегратора производится усиление по напряжению, выходной каскад обеспечивает усиление по току.

1. Теоретическая часть

1.1 Основные схемы включения операционных усилителей

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, преобразуя ток - напряжение, стабилизаторы напряжения, инвертирующий и не инвертирующий усилители.

каскад усилитель транзистор интегратор

Рис.1.1 инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего включения ОУ показана на рис. 1.1, где знак «-» относится к инвертирующему, а знак «+» к не инвертирующему входу. Обычно цепь негативной обратной связи (НОС) включают на не инвертирующий вход. В данном случаи. Имеет место параллельная обратная связь по напряжению. Коофициент передачи такой цепи.

,

где - дифференциальное входное сопротивление ОУ;

К- коэффициент усиления ОУ.

На практике использование упрощенную формулу для разработки коэффициента передачи.

, (1.1)

а сопротивление можно рассчитать как параллельное соединение сопротивлений .

, (1.2)

Полное входное сопротивление схемы (в точках приложения напряжения ).

Входное сопротивление схемы

Самой простой схемой использования ОУ в инвертирующем включении с повторителем напряжения при .

При этом

1.2.2 Инвертирующий сумматор

Рис.1.2 Инвертирующий сумматор

Разновидностью интегрирующего усилителя есть сумматор (рис.1.2), он позволяет получать на выходе суммарное напряжение, пропорциональное входным напряжениям. Через элемент цепи обратной связи протекает суммарный ток, потому выходное напряжение при .

При выборе сопротивлений резисторов, которые задают коэффициент передачи, стоит управлять неравенством.

где - паразитная емкость резисторов; - наибольшая частота, на которой усилитель сохраняет свои свойства.

Сопротивления резисторов ….. определяются как:

, где i=1,2….n (1.3)

При проектировании необходимо учесть, что сумма напряжение на входе не должна превышать максимально допустимого напряжения для выбранного ОУ, т.е

сопротивление нагрузки для инвертора должен отвечать условиям:

, (1.4)

где - максимальное допустимый ток на выходе ОУ.

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

1. суммирующая толчка есть « виртуальной землей»;

2. входные токи ОУ отсутствуют;

3. ток, который поступает в суммирующую точку с входных цепей, равен току, который протекает в цепи обратной связи.

1.2.3 Не инвертирующее включение ОУ

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



Рис.1.3 Не инвертирующий усилитель

При замкнутой обратной связи:

.

При совместном решении этих равенств получим,

При и усилитель работает как повторитель напряжения. На практике широко используется классическая формула:

(1.5)

Входное и выходное сопротивление не инвертирующего ОУ рассчитывают за формулами:

1.2.4 Интегрирующий усилитель

Это усилители, преобразующие входной сигнал в интегральные функции времени. Для интегратора потребный один ОУ, который работает в инвертирующем режиме (рис.1.4) . Интегрирующий усилитель создается заменой в схем инвертирующего усилителя конденсатором C.

Рис.1.4 Интегрирующий усилитель

При использовании ОУ с идеальными характеристиками:

(1.6)

где - постоянная времени интегрирования; - масштабный коофициент.

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

Коэффициент усиления определяется при .

(1.7)

т.е. коэффициент усиления интегрирующего усилителя зависит от частоты, и сростом частоты коэффициент усиления, а также и выходное напряжение уменьшается.

Зависимость коэффициента усиления от частоты указан на рисунке 1.5.

Обычно выбирают С=0.001/1мкФ.

R-C - цепь заряда конденсатора.

Постоянная времени интегратора задается. Сопротивление R рассчитывается по формуле:

(1.8)

Стоит учитывать, что обратное сопротивление должно удовлетворять следующие условия:

(1.9)

Для уменьшения времени разряда конденсатора необходимо включать параллельно конденсатору С резистор или транзисторный ключ.

-С - цепь разряда конденсатора; .

Зная постоянную времени разряда и значение емкости, определяют сопротивление резистора .

Найденное значение должно удовлетворять следующие условия:

(1.10)

Балансирующее сопротивление (если оно предусмотрено в схеме) выбирают с условий:

(1.11)

где

1.2.5 Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель предназначен для усиления сигналов постоянного тока или в качестве усилителя сигналов низкой частоты.

Поменяв местами резистор и конденсатор в цепи НЗЗ интегратора, Получим схему, которая выполняет обратную операцию, т.е дифференцирование.

Рис.1.6 Дифференцирующий усилитель

При

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

Коэффициент усиления определяется при .

(1.12)

т.е. коэффициент усиления дифференцирующего усилителя зависит от частоты и сростом частоты коэффициент усиления, а также и выходное напряжение увеличивается.

Обычно выбирают С=0.01-1мкФ.

Постоянную времени дифференцирования .

Зная постоянную времени дифференцирования и задаваясь значением емкости, определяют сопротивление резистора

Найденное сопротивление должно удовлетворять следующие условия:

.

По формуле (1.12) на заданной частоте определяют коэффициент усиления дифференциального усилителя.

1.3 Выходные каскады

Если устройство должно работать на низкой нагрузке, то в качестве выходного каскада может быть использован усилитель мощности на основе операционного усилителя (см. инвертирующий или не инвертирующее включение операционного усилителя) с выходным каскадам на транзисторах. Усиление по току будет определяться двухтактным выходным каскадом на транзисторах VT1,VT2,VT3,VT4 (рис. 1.7), где в качестве выходных транзисторовVT3,VT4 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 транзистора включаются по очереди, т.е. сигнал, который открывает транзисторы VT1,VT3, закрывает транзисторы VT2,VT4.

Диоды VD1-VD3 совершают параметрическую температуру стабилизации режима работы и вместе с резисторами R4,R5 обеспечивают обратный режим работы транзисторного каскада.

Для получения большей мощности (больше 5Вт) c высоким КПД используют двухтактные каскады, которые работают в режиме В, но при этом имеют большие нелинейные искажения усиленного сигнала за счет влияния нелинейного участка статистической входной характеристики транзистора, на который попадает рабочая точка транзистора. Лучшим режимом есть режим АВ, который также обеспечивает высокий КПД. На базы транзисторов обоих плечей каскада подается небольшое смещение, при котором в цепь коллектора каждого транзистора протекает некоторый ток (рис. 1.8), который выключает влияние начального нелинейного участка входной характеристики транзистора. Отсюда, совершается выбор рабочей точки транзистора.

В выходном каскаде, который работает в режиме АВ, плечи двухтактной схемы работают по очереди, каждое на протяжении одного полу периода сигнала. Для упрощения расчета такого каскада предусматривается, что один усилительный элемент работает на протяжении всего периода сигнала. Это позволяет выполнять расчеты по семейству характеристик одного элемента, получая при этом данные, касающиеся ко всему каскаду.

Рис.1.7. Выходной каскад

2. Расчетная часть

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

Выходные данные к расчетам приведены в задании курсового проектирования. Входное напряжение усилителя

- -80 мВ

- Выходное напряжение-6 В

- Сопротивление нагрузки-3 Ом

- Рабочий диапазон частот- (1-100)кГц

- Постоянная времени заряда интегрирующего усилителя-30 мкс

- Постоянная времени разряда-300 мкс

2.1 Расчет интегрирующего усилителя

Производим расчет интегрирующего усилителя собранного на основе операционного усилителя DA1. (рис 1.8)

Использую усилитель К140УД6А., где

=20В

=4мА

11В

25 мА

1 МОм

30 000

=1МГц.

Выбираем С=0,03 мкФ. Зная постоянную интегрирования и задавая значение емкости, определяем сопротивление резистора R1:

R1=_з /С1.

R1=1k.

Выбираем из ряда Е24 резистор - МЛТ-0,25-1кОм.Найденное значение R1 должно удовлетворять следующему условию, выписываем максимальный выходной ток ОУ I_{вых max ОУ}=25 мА:

Следовательно:

Выбираем из ряда Е24 нужный резистор-МЛТ-0,25-10 кОм.

Найденное значение R3 должно удовлетворять следующему условию:

Выбираем тип резистора. Определяем R2 как параллельное соединение элементов R1,R3:

Выбираем из ряда Е24 нужный резистор - МЛТ-0,25-910 Ом.

По формуле на заданной частоте определяем коэффициент передачи интегрирующего усилителя:

.

Следовательно:

Определим выходное напряжение дифференцирующего усилителя на максимальной 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

Находим ток нагрузки

Определяем размер напряжения источника постачания

Выберем из ряда напряжений, рекомендуемых по ГОСТ, Еп.

Выбираем тип выходных транзисторов VT3,VT4. Для этого определяем мощность, рассеиваемую в коллекторных переходах этих транзисторов , где - мощность, потребляемая каскадом от источника питания.

По найденному значению Рк, Еп, Iк=Iн выбираем транзисторы VT3,VT4 у которых паспортные значения максимально допустимых величин немного превышают полученные расчетные значения.

По справочнику выбираем транзисторы и выписываем параметры КТ 920 В (n-p-n)

Выбран ОУ К140УД6А с учетом того факта, что его максимальное выходное напряжение не ниже выходного напряжения на нагрузке (11>9):

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

Определяем коэффициент усиления по току, который необходимо обеспечить транзисторами VT1,VT2:

Выбираем комплиментарную пару маломощных транзисторов VT1,VT2 паспортные данные которых превышают полученные расчетные значения:

VT2 КТ215Б-1 (p-n-p) VT1 КТ315Д (n-p-n)

2.2.2 Расчет усилителя мощности по постоянному току

Этот расчет проводим графоаналитическим методом. Графические построения проводим с помощью выходных и входных вольтамперных характеристик транзистора. На выходных характеристиках проводят так называемую линию нагрузки каскада по постоянному току, что отображает геометрические точки, координаты которых соответствуют возможным значениям точки покоя каскада.

Графическое уравнение линии нагрузки имеет вид

Е_н = I_н * R_н + U_кэ

В связи с этим построение линии нагрузки проводим по двум точкам, характеризующим режим холостого хода и короткого замыкания . В режиме АВ постоянный ток коллектора:

(0.05-0.15)*3А=0.1*3А=0.3А

Откладываем это значение и находим положение рабочей точки П на линии нагрузки. По выходной характеристики определяем ток базы покоя , а по входной - значение напряжения , который обеспечивает заданный режим работы транзистора.

Выбираем маломощные диоды в цепи делителя, у которых

Эти диоды обеспечивают напряжение смещения транзисторного каскада в режиме АВ. Суммарное падение напряжения на этих диодах должно составлять относительно схемы величину равную . Выбираем нужные диоды-КД407А. По вольтамперной характеристики выбранных диодов определим ток, при котором обеспечивается заданное напряжение. Это и будет ток делителя:

.

С рассмотрения температурной стабильности режима спокойствия необходимо, чтобы соблюдалось условие:

Выбираем резисторы с цепи делителя. Рассчитаем значения сопротивлений по формуле:

Определяем мощность:

Выбираем из ряда Е24 нужные резисторы - МЛТ-0,125-430 Ом.

2.2.3 Расчет элементов инвертирующего усилителя

Инвертирующий усилитель, собранный на операционном усилители DA1.Выходной сигнал инвертирующего усилителя есть входным сигналом инвертирующего усилителя .Коэффициент усиления инвертирующего усилителя по нагрузке:

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя найдём по формуле:

Определяя сопротивление R5 , находим R4:

;

Выбираем из ряда Е24 нужные резисторы R4 - МЛТ-0,25-910 Ом, R5- МЛТ-0,25-10 кОм. Определяем резистор R6 как параллельное соединение R5 и R4 :

Выбираем из ряда Е24 нужные резистор - МЛТ-0,25-820 Ом.

3. Моделирование

Рис. 3.1. Интегрирующий усилитель.

Рис. 3.2. Результат работы интегрирующего усилителя.

Рис.3.3 АЧХ интегрирующего усилителя.



Рис. 3.4 Инвертирующий усилитель с выходным каскадом на транзисторах

Рис.3.5 График входного и выходного напряжения

Рис.3.6 График по току инвертирующего усилителя



Рис.3.7 АЧХ инвертирующего усилителя с выходным каскадом на транзисторах

Вывод

В ходе выполнения данного курсового проекта результат данной работы предоставлен в виде расчетной и графической частей. При выполнении пояснительной записки применялись современные методы компьютерной верстки и печати. Исходя из задания были рассчитаны основные элементы интегрирующего и каскадного (построенного на транзисторах) усилителей. В графической части данного курсового проекта приведены: принципиальная схема интегрирующего усилителя и вольтамперные характеристики некоторых элементов схемы.

В результате самостоятельного выполнения курсового проекта по дисциплине “Электроника и микросхемотехника” (разработка элементов усилителя) были приобретены практические навыки расчета звеньев усилителя, построения и расчета принципиальной схемы.

К процессу выполнения задания курсового проекта были привлечены современные методы работы с применением оборудования, занявшего неотъемлемое место в жизни современного инженера, используемого практически во всех сферах управления технологиями производства и управления, т.е. персонального компьютера. Расчеты, в подавляющей своей части, были произведены с использованием наиболее широко применяемых языков программирования, а также пакетов, применение которых значительно улучшает производительность и качество работы. Были использованы пакеты OrCAD, редактор текста Word.

В процессе моделирования было проверена работоспособность разработанной схемы и правильность произведенных расчетов.

Литература

1. Проектирование усилительных устройств /Под ред. Н.В.Терпугова.-М.:Высш.шк.,1992.-С.83-95.

2. Справочник по полупроводниковым приборам и их аналогам /Под ред. Пыжевского А.М.-М.:Высш.шк.,1992.

3. Справочник по полупроводниковым приборам. Укл: В.Ю. Лавриненко, Киев “Техника”,1984.

4. Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине Основы электроники” С.Г.Антощук, А.О.Николенко, М.Я.Ядрова

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

6. 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.

Размещено на Allbest.ru