Разработка усилителя постоянного тока на дискретных компонентах
Анализ выбора схемы и его обоснование. Расчет значений параметров основных элементов усилителя постоянного тока. Выбор стандартных комплектующих для данного устройства, оценка эффективности их работы. Методы и подходы к расчету электронных цепей.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 08.08.2013 |
| Размер файла | 184,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
Разработка усилителя постоянного тока на дискретных компонентах
Введение
Усилителями постоянного тока называются устройства, предназначенные для усиления по напряжению и по мощности сигналов постоянного или медленно меняющегося по величине тока. Они используются в ряде областей электроники, таких как измерительная техника, управляющие, следящие системы и вычислительные устройства.
В усилителях постоянного тока (УПТ) с несколькими каскадами усиления для связи между каскадами используют, как правило, резисторы, поскольку на низких частотах конденсаторы или трансформаторы малопригодны. Использование резисторов для связи каскадов УПТ имеет существенный недостаток, поскольку в этом случае появляется необходимость отделять полезный сигнал от постоянных составляющих напряжения и тока, которые используются для питания транзисторов в схеме усилителя.
Характеристики УПТ должны отвечать ряду требований [1]:
· в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;
· при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;
· напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.
Последние два условия выполняются, если усилитель работает в режиме А.
Первое же условие выполняется при отделении полезного выходного сигнала от постоянных составляющих тока и напряжения транзистора.
Существует несколько схемных решений для УПТ, позволяющих отделить постоянные составляющие напряжения. Это усилители с одним и с двумя источниками питания, а так же специальные дифференциальные (балансные) УПТ, позволяющие получить сравнительно низкий дрейф нуля. Более подробно схемы УПТ будут рассмотрены в следующих разделах. Данный курсовой проект содержит расчет одного из таких УПТ.
1. Анализ существующих схемных решений
Рассмотрим основные схемы УПТ, применяемые в радиоэлектронике.
Из большого разнообразия схем УПТ можно выделить несколько основных решений. Это усилители с одним и с двумя источниками питания, а так же УПТ с преобразованием сигнала и дифференциальные (балансные) УПТ [2].
Это простейшая схема УПТ, состоящая из обычного усилительного каскада по схеме ОЭ с температурной стабилизацией. В данной схеме для точной подстройки режима в выходной цепи имеется переменный резистор R5. В схеме рис. 1.2 во входной цепи и в цепи связи включены стабилитроны, выбранные таким образом, что их напряжения стабилизации компенсируют постоянные напряжения в цепи базы и коллектора VT1. Такой режим соответствует жесткой температурной стабилизации и выбору рабочих точек транзисторов в середине линейных участков вольт - амперных характеристик.
УПТ с одним источником питания имеют ряд недостатков: сопротивление нагрузки не может быть соединено с общей точкой усилителя, что необходимо в сложных электронных устройствах; источник входного напряжения тоже не соединен с общей точкой усилителя. Применение же стабилизаторов как на схеме рис. 1.2 требует их подбора по напряжению и индивидуальной подстройки усилителя.
Недостаток схем, описанных выше, можно устранить, если в усилителе применить питание от двух источников. В нем применены два источника питания +E1 и - E2, которые создают положительное и отрицательное напряжение относительно общего точки, имеющей нулевой потенциал.
Рассмотренная схема допускает непосредственное соединение каскадов усилителей. При этом, так как входное и выходное напряжения имеют общую точку с нулевым потенциалом, выход первого каскада подключается непосредственно к входу второго, выход второго каскада к третьему и т.д. до получения необходимого коэффициента усиления.
Усилители постоянного тока имеют специфический недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных токов и напряжений. Это так называемый дрейф нуля, определяющий нижний предел усиливаемых сигналов. Дрейф нуля возникает из-за того, что с течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их переходах. При этом нарушается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжение в отсутствие сигнала на входе. Поскольку в задачу УПТ входит усиление сигналов вплоть до самых низких частот, то всякое изменение питающих напряжений транзисторов из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т.д. будет вызывать появление постоянного напряжения на выходе ничем неотличимого от полезного сигнала.
Для борьбы с дрейфом нуля в УПТ кроме стабилизации питающих напряжений применяют специальные схемы усилителей, так называемые дифференциальные (балансные) УПТ. Они построены по принципу четырехплечего моста
Дифференциальный усилитель представляет собой два идентичных усилителя, за счет их совместного включения и получают малый дрейф нуля по сравнению с другими схемами. В таких усилителях обязательно подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками. Такие схемы, как правило, имеют переменный резистор, который служит для балансировки каскада, то есть для установки нуля.
Балансная схема УПТ
Наличие общего эмиттерного сопротивления также повышает стабильность схемы. При тщательном подборе элементов усилителя, при стабилизации напряжений источников питания дрейф нуля удается снизить до 1 - 20 мкВ/оС.
Такое схемное решение усилителей позволяет снизить дрейф нуля, по сравнению с небалансными схемами, в 20-100 раз. К недостаткам этих схем можно отнести относительную сложность изготовления, поскольку требуется довольно точная подборка параметров транзисторов для уменьшения дрейфа нуля разбалансировки усилителя. Для усиления малых сигналов, где особенно существенно влияние дрейфа, применяют усилители с преобразованием постоянного или медленно изменяющегося сигнала в переменное напряжение.
В таком усилителе имеется модулятор, который преобразует постоянный или медленно меняющийся входной сигнал в переменное напряжение с некоторой частотой, определяемой генератором опорного напряжения. Затем этот преобразованный сигнал поступает на вход обычного усилителя звуковой частоты. После усиления сигнал поступает на демодулятор - фазочувствительный, который преобразует переменное напряжение в постоянное, причем принципиальным отличием его от обычного выпрямителя является то, что знак выходного напряжения меняется в зависимости от изменения фазы входного сигнала.
2. Анализ выбора схемы
После рассмотрения схем, с учетом их достоинств и недостатков предпочтение было отдано схеме балансного усилителя постоянного тока, имеющей наименьший дрейф нуля. Данный курсовой проект содержит расчет именно такого балансного усилителя постоянного тока.
Балансная cхема УПТ
Расчет усилителя постоянного тока
Расчет усилителя постоянного тока будем производить по следующим исходным данным:
Входное напряжение: Uвх=200 мВ
Выходное напряжение: Uвых=5 В
Входное сопротивление: Rвх>200 Ом
Сопротивление нагрузки: Rн=200 Ом
Нижняя рабочая частота усилителя: Fн=0 Гц
Верхняя рабочая частота усилителя: Fв=30 кГц
Дрейф нуля: <0.4
Определяем требуемый коэффициент усиления по напряжению:
Ku== (2.1)
Pвых= (2.2)
Исходя из первоначальных данных и рассчитанных значений, выбираем для усилителя транзистор КТ3102А.
Электрические параметры транзистора определяем из [3]:
Постоянное напряжение коллектор - база: UКБ =50 В.
Постоянное напряжение коллектор - эмиттер: UКЭ=50 В.
Постоянное напряжение эмиттер - база: UБЭ=5 В.
Граничная частота коэффициента передачи тока: FГР=300 МГц.
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора: РМАХ=250 мВт.
Теперь определяем напряжение питания УПТ:
(2.3)
Округляем ЕК до ближайшего стандартного значения в сторону увеличения.
В нашем случае ЕК=24 В. Берем динамическую характеристику транзистора КТ3102А.
На семействе выходных характеристик транзистора КТ3102А выбираем рабочую точку Р для Ек=24 В. По току базы определяем положение рабочей точки на входной характеристике. Теперь на этих графиках находим параметры: IKP=17 мА, UКЭР=8 В, IБР=0.03 мА, UБЭР=0.46 В.
Находим приращение графиков на входных и выходных характеристиках в рабочей точке (см. рис. 2.1, 2.2): IБ=0.02 мА, UБЭ=0.02 В, IK=18 мА, UКЭ=10 В.
Находим Y - параметры транзистора:
(2.4)
(2.5)
(2.6)
(2.7)
Проверяем правильность выбора рабочей точки. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в режиме покоя РКР, должна удовлетворять условию:
(2.8)
Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в режиме покоя РКР, находим по формуле:
(2.9)
Из неравенства (2.8) получаем: 136мВт<250мВ
Найдем сопротивление коллектора RK=R3=R6 по формуле:
(2.10)
Округляем RК до стандартного значения: RК=R3=R6=910 Ом
Рассчитываем мощность, рассеиваемую на этих резисторах:
(2.11)
Подбираем для РR3=PR6 стандартные значения мощности в сторону увеличения: РR3=PR6=0.5 Вт.
Определяем ток, проходящий через резистор R5 по формуле:
(2.12)
Определяем сопротивление резистора R5 по формуле:
(2.13)
Подбираем сопротивление резистора R5 до стандартного значения: R5=15 Ом.
Определяем мощность, рассеиваемую на резисторе R5:
(2.14)
Подбираем для R5 стандартное значение мощности в сторону увеличения: РR5=0.125 Вт.
Определяем ток, проходящий через резистор делителя RД1=R1=R7 по формуле:
(2.15)
Определяем сопротивление резистора RД1=R1=R7 по формуле:
(2.16)
Подбираем сопротивление RД1=R1=R7 до стандартного ближайшего значения: RД1=R1=R7=100 кОм.
Определяем мощность, рассеиваемую на RД1=R1=R7 по формуле:
(2.17)
Подбираем для RД1=R1=R7 стандартное значение мощности в сторону увеличения: РД1=РR1=PR7=0.125Вт.
Определяем ток, проходящий через резистор RД2=R2=R8 по формуле:
(2.18)
Определяем сопротивление RД2=R2=R8 по формуле:
(2.19)
Подбираем сопротивление RД2=R2=R8 до стандартного ближайшего значения: RД2=R2=R8=6.8 кОм.
Определяем мощность, рассеиваемую на RД2=R2=R8 по формуле:
(2.20)
Подбираем для RД2=R2=R8 стандартное значение мощности в сторону увеличения: РД2=РR2=PR8=0.125 Вт.
Определяем сопротивление R4 по формуле:
(2.21)
Поскольку рассчитанное значение R4 имеет малое сопротивление, то мы его просто исключаем из схемы.
Определяем входное сопротивление по формуле:
(2.22)
Находим общее сопротивление делителя RДО по формуле:
(2.23)
Находим общее входное сопротивление каскада по формуле:
(2.24)
Находим коэффициент усиления схемы:
(2.25)
Исходя из расчетов, можно сделать вывод, что схема УПТ и метод расчета выбраны правильно. Рассчитанная схема полностью удовлетворяет поставленным требованиям.
Выбор стандартных комплектующих
Для разработанного усилителя постоянного тока выбираем следующие типы радиоэлементов: все резисторы постоянные общего назначения выбираем типа С2-33. Рассчитанные значения сопротивлений округляем на +10% до стандартных значений, соответствующих шкале сопротивлений Е12 (кроме R3, R5, сопротивление которых выбрано из шкалы Е24 с отклонением +5%). Рассчитанные величины рассеиваемой мощности резисторов округляем до стандартных значений. Все транзисторы выбираем кремниевые, структуры n-p-n, типа КТ3102А.
Заключение
усилитель устройство постоянный ток
В курсовом проекте был разработан усилитель постоянного тока вместе с принципиальной схемой и параметрами входящего в него радиоэлементов. При разработке были освоены методы расчета электронных цепей, в частности усилителей постоянного тока. В процессе разработки были закреплены навыки использования технической литературы и документации.
Разработанная схема УПТ имеет такие параметры:
ЕК=24 В;
UВХ=200 мВ;
UВЫХ=5 В;
RВХ=670 Ом;
RН=200 Ом;
FН=0 Гц;
FВ=30 кГц;
КU=76
Перечень ссылок
1. Основы электроники и микроэлектроники/ Б.С. Гершунский. - 3-е изд. перераб. и доп. - К.: Вища школа, 1987. - 320 с.
2. Основы промышленной электроники: Учеб. Для не электротехнических спец. вузов / В.Г. Герасимов, О.М. Князьков и др. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986. - 336 с.
3. Нефедов А.В., Гордеев В.И. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио связь, 1985. - 288 с., ил.
4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высш. шк., 1991. - 622 с.
5. Справочник по расчету электронных схем. Б.С. Гершунский. - Киев: Вища школа, 1983. - 240 с.
6. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. Ч. 1. Электронные устройства информационной автоматики: Учебник / Под общ. ред. А.А. Краснопрошиной. - К.: Вища шк. Головное издательство, 1989. - 431 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Назначение и описание выводов инвертирующего усилителя постоянного тока К140УД8. Рассмотрение справочных параметров и основной схемы включения операционного усилителя. Расчет погрешностей дрейфа напряжения смещения от температуры и входного тока.
реферат [157,8 K], добавлен 28.05.2012Выбор и анализ структурной схемы усилителя постоянного тока. Расчет дифференциального каскада усилителя, определение величины напряжения питания. Выбор транзисторов, расчет номинала резисторов. Коэффициент усиления конечного и дифференциального каскадов.
курсовая работа [197,2 K], добавлен 12.01.2015Изучение работы усилителей постоянного тока на транзисторах и интегральных микросхемах. Определение коэффициента усиления по напряжению. Амплитудная характеристика усилителя. Зависимость выходного напряжения от напряжения питания сети для усилителя тока.
лабораторная работа [3,3 M], добавлен 31.08.2013Методы измерения тока и напряжения. Проектирование цифрового измерителя мощности постоянного тока. Выбор элементной базы устройства согласно схеме электрической принципиальной, способа установки элементов. Расчет экономической эффективности устройства.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 21.07.2011Разработка усилителя электрических сигналов, состоящего из каскадов предварительного усилителя. Расчет двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности. Определение каскада с ОЭ графоаналитическим методом. Балансные (дифференциальные) усилители.
курсовая работа [672,4 K], добавлен 09.03.2013Анализ основных методов расчёта линейных электрических цепей постоянного тока. Определение параметров четырёхполюсников различных схем и их свойства. Расчет электрической цепи синусоидального тока сосредоточенными параметрами при установившемся режиме.
курсовая работа [432,3 K], добавлен 03.08.2017Обзор литературы по усилителям мощности. Описание электрической схемы проектируемого устройства - усилителя переменного тока. Разработка схемы вторичного источника питания. Выбор и расчет элементов схемы электронного устройства и источника питания.
реферат [491,0 K], добавлен 28.12.2014Определение передаточных функций элементов системы автоматического регулирования (САР) частоты вращения вала двигателя постоянного тока. Оценка устойчивости и стабилизация разомкнутого контура САР. Анализ изменения коэффициента усиления усилителя.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 13.07.2015Разработка электронного вольтметра переменного тока действующих значений, обеспечивающий измерение напряжения в заданном диапазоне. Выбор и обоснование схемы прибора. Расчет элементов и узлов прибора. Расчет усилителя. Описание спроектированного прибора.
курсовая работа [857,4 K], добавлен 27.02.2009Составление эквивалентной схемы усилителя для области средних частот, расчет его параметров. Определение сопротивления резистора, мощности, рассеиваемой им для выбора транзистора. Вычисление полного тока, потребляемого усилителем и к.п.д. усилителя.
контрольная работа [133,5 K], добавлен 04.01.2011
