Измерительный усилитель переменного напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра Автоматики и Управления

Измерительный усилитель переменного напряжения

Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу: «Электроника в приборостроении»

Руководитель

Константинов В.И.

Автор работы

студент группы ПС-328

Кутепов И.А.

Челябинск

2002 г

Введение

Задачей курсового проектирования является закрепление теоретических положений курса электронных устройств, а также углубление и приобретение новых знаний при самостоятельной работе с литературными источниками, приобретение навыков практического проектирования конкретных электронных устройств, в том числе с применением ЭВМ.

В настоящее время для инженерных расчетов широко применяются различные пакеты прикладных программ ориентированных на разные виды расчётов. В курсовой работе для расчетов использовались следующие пакеты:

-Microsoft Word 98 - для выполнения пояснительной записки.

-Electronics WorkBench 5.12 - для моделирования рассчитанных узлов.

-AutoCad 2000 - для выполнения графической части задания

Обоснование и выбор функциональной схемы

Измерительный усилитель переменного напряжения выполняется на основе низкочастотного усилителя. УНЧ проектируется на основе входного усилителя, предварительного усилителя и усилителя мощности. Входной усилитель обеспечивает нужную величину входного сопротивления и корректирует искажения частотной характеристики. Для обеспечения качественных показателей выходного сигнала используется усилитель мощности с глубокой отрицательной обратной связью. Для обеспечения блоков аппаратуры выходными напряжениями (токами) заданного номинала и качества используется источник питания.

Измерительный усилитель переменного напряжения отличается от УНЧ специальной формой частотной характеристики (большая полоса пропускания, наклон частотной характеристики в полосе пропускания и т. д.), большей стабильностью коэффициента усиления, меньшей величиной нагрузочного сопротивления.

Все эти требования выполняются при использовании глубокой частотно зависимой обратной связи.

Функциональная схема измерительного усилителя переменного напряжения представлена на рис.1.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.1.

ВУ - входной усилитель;

РУ - регулятор уровня;

ПУ - предварительный усилитель;

УМ - усилитель мощности;

ЦЧЗОС - цепь частотно-зависимой обратной связи;

Измерительный усилитель переменного напряжения состоит из выходного каскада - усилителя мощности (УМ), предварительного усилителя (ПУ), охваченных цепью общей отрицательной частотно зависимой обратной связью (ЦЧЗОС), входного усилителя (ВУ), регулятора уровня выходного сигнала (РУ).

Н а усилитель мощности поступает сигнал от источника поступает через

разделительную емкость (Cр) с входного усилителя (ВУ), который служит для обеспечения заданного входного сопротивления (Rвх). Разделительная емкость необходима для уменьшения дрейфа нулевого уровня выходного напряжения. Для регулирования величины выходного напряжения сигнал с входного усилителя поступает на регулятор уровня (РУ).

Источник питания является выпрямительным устройством и состоит из четырех узлов: трансформатора, вентильного комплекта (диодная схема), сглаживающего фильтра и стабилизатора постоянного напряжения.

Трансформатор необходим для получения заданного напряжения.

Вентильный комплект необходим для выпрямления переменного напряжения. В качестве выпрямителя использую однофазную мостовую схему. Схема применяется на выходные мощности до 1кВТ.

Преимущества схемы: повышенная частота пульсаций, низкая величина обратного напряжения, хорошее использование трансформатора.

Недостатки: необходимость в четырех вентилях, повышенное падение напряжения на вентильном комплекте.

Сглаживающий фильтр используется для ослабления пульсаций. Используем конденсатор.

Выбор и расчет элементов функциональной схемы.

Расчет входного усилителя.

Входной усилитель.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Входной усилитель должен обеспечить входное сопротивление, заданное в техническом задании, коррекцию искажений частотной характеристики и предварительное усиление полезного сигнала. В качестве входного усилителя выберем схему неинвертирующего усилителя на операционном усилителе.

Найдем напряжение, подаваемое на входной усилитель

Коэффициент усиления по напряжению всей схемы определится как:

Пусть входной усилитель обеспечивает усиление входного сигнала по напряжению до 2 В, а также обеспечивает входное сопротивление устройства Rвх=2 МОм.

Рассчитаем сопротивления обратной связи

,

т.о. согласно ряду Е24: , .

Конденсатор С₁ уменьшает коэффициент усиления ВУ на частотах меньше нижней граничной, поэтому выбираем его номинал из условия:

В полосе пропускания входное сопротивление ВУ Rвх R₁.=2MOм

Разделительную емкость Ср1 выберем исходя из нижней граничной частоты:

,

Для того, чтобы искажения на нижней граничной частоте были меньше, увеличим емкости конденсаторов: , .

Выберем операционный усилитель. Основным параметром для выбора ОУ является частота единичного усиления. Исходя из того, что верхняя граничная частота входного сигнала f_max= 100 кГц, то для ВУ необходим операционный усилитель с частотой единичного усиления fед f_max*Ku = 50 МГц. Скорость нарастания выходного напряжения операционного усилителя должна удовлетворять величине выходного сигнала на верхней граничной частоте:

V_Uвых 2**f_max*Uву

V_Uвых 1,25 В/мкс.

Согласно этим требованиям выберем операционный усилитель …

Параметры операционного усилителя:

напряжение смещения: 0.03 (мВ);

входной ток: 40 (нА);

напряжение питания: 15В;

ток потребления: 4.7 (мА);

максимальное выходное напряжение: 13.5 (В);

максимальный выходной ток: 10 (мА);

скорость нарастания выходного сигнала: 11;

входное сопротивление: 10 (МОм);

выходное сопротивление: 200 (Ом).

частота единичного усиления 16 МГц

Регулятор уровня

Регулятор уровня необходим, чтобы обеспечить заданный в техническом задании диапазон регулирования выходной величины, равный -75% от максимального значения.

Сопротивления резисторов R1 и R2 находятся в следующей зависимости:

.

Из этого выражения находим R1 = 36 кОм, R2 = 12 кОм.

Величина разделительной емкости Cр2 и резистора R3 находится из передаточной функции, которую они образуют:

.

Таком образом, минимальная частота должна быть меньше или равна .

, отсюда R3=200 кОм Cр2=0,25 мкФ.

Расчет усилителя мощности.

При выборе типа оконечного каскада следует отдавать предпочтение каскадам с возможно большим КПД и требуемыми качественными показателями. Основным качественным показателем, зависящим от типа выходного каскада, является коэффициент нелинейных искажений . Снижение и увеличение КПД - противоречивые требования. В литературе рекомендуют для этого использовать двухтактные усилительные каскады, работающие в классе АВ.

Снижение коэффициента нелинейных искажений достигается выбором тока покоя выходных транзисторов (класс АВ близкий к В) и применением ООС, охватывающей непосредственно выходной каскад.

Выходные каскады в классе АВ могут быть выполнены по трансформаторной и бестрансформаторной схемам включения нагрузки. В трансформаторном усилительном каскаде всегда имеются некоторые потери мощности и дополнительные искажения формы выходного сигнала за счет трансформатора, поэтому в последнее время предпочтение отдают бестрансформаторным каскадам.

Кроме того, критерием для принятия решения в пользу бестрансформаторного варианта УМ является соотношение: ,

где - остаточное напряжение коллектор-эмиттер транзистора при максимальном токе нагрузки;

- амплитуда выходного сигнала.

Для мощных транзисторов, рекомендуемых для работы в усилителях .

Проверяем: .

Выбор транзисторов для выходного каскада усилителя мощности производят по следующим параметрам:

· рассеиваемой в нем мощности

· граничной частоте усиления

· допустимым напряжениям

· допустимым токам

Для выходного каскада усилителя, работающего в классе АВ с двумя источниками питания, напряжение каждого источника выбирается из условия: .

Величина в дальнейшем уточняется по характеристикам окончательно выбранного транзистора.

Наибольшее напряжение на транзисторе в таком каскаде примерно равно удвоенному напряжению питания: . Поэтому транзисторы VT1 и VT4будем выбирать из условия

Наибольшая мощность, выделяемая в каждом транзисторе выходного каскада, работающего в классе В для синусоидального сигнала при активном сопротивлении нагрузки равна:

.

Определяем из выражения:

.

Тогда .

Выбор транзисторов по току для бестрансформаторных схем определяется выражением:

;

.

Частотные свойства выходных транзисторов должны соответствовать требуемой полосе пропускания всего усилителя. Так как верхняя граничная частота усилителя , то граничная частота усиления транзисторов должна быть не менее: .

Для работы в двухтактных усилительных каскадах применяют пары комплиментарных транзисторов, то есть биполярных транзисторов разной проводимости, имеющих близкие параметры. Выберем комплиментарную пару: КТ829А и КТ853А.

Максимально допустимые параметры транзисторов КТ829А и КТ853А:

усилитель напряжение искажение транзистор

(требуется )

(требуется )

(требуется )

(требуется )

Т.е. все необходимые параметры у этих транзисторов выше расчетных, поэтому применяем в выходном каскаде УМ транзисторы КТ829А и КТ853А.

Выбор принятого варианта УМ проверяем по входным и выходным характеристикам транзисторов.

Для этого надо построить нагрузочную прямую.

Нагрузочную прямую проводим через точку

на горизонтальной оси и точку

на вертикальной оси. На пересечении нагрузочной прямой с вертикальной осью семейства выходных характеристик находим максимальное значение тока коллектора и уточняем значение остаточного напряжения .

Для уменьшения переходных, а значит и нелинейных искажений необходимо задать ток покоя транзисторов в пределах .

Выбираем , тогда

базовый ток покоя определится как , а . Максимальный ток базы: . Находим максимальное входное напряжение между базой и эмиттером .

Амплитуда напряжения сигнала между базой и эмиттером . По уточненным данным для и определяем напряжение источников питания и мощность, рассеиваемую на каждом транзисторе .

По полученной мощности рассчитываем площадь дополнительного теплоотвода (радиатора) по формуле: ,

где - максимальная рассеиваемая мощность на транзисторе, Вт;

- коэффициент теплоотдачи, зависящий от материала, конструкции и способа обработки теплоотвода. Для черненого ребристого алюминиевого теплоотвода обычно принимают ;

- температура перехода, обычно ее принимают на ниже предельно допустимой;

- температура среды, максимальная температура по заданию;

- тепловое сопротивление переход-корпус;

- тепловое сопротивление корпус-теплоотвод.

.

Таким образом, пара транзисторов КТ829А и КТ853А удовлетворяет требованиям к транзисторам выходного каскада усилителя мощности.

Транзисторы для предоконечного каскада усилителя мощности должны иметь следующие параметры:

, ,

.

Этим требованиям отвечает пара комплиментарных транзисторов КТ315Д и КТ361Д, имеющих:

.

Номинальные значения резисторов базовых цепей выходных транзисторов определяем по формуле:,

где

- значения параметров транзистора, найденные по входным статическим характеристикам

- обратный ток коллектора (из справочника);

Выбираем ближайшее значение из ряда Е24 кОм.

Мощность, рассеиваемая на резисторе, .

Берем мощностью 0,0,625 Вт.

Коэффициент усиления по напряжению достаточно взять . Тогда отношение значений резисторов R7 и R8, определяющих коэффициент усиления каскада, находится по формуле:

Ток через делитель напряжения на резисторах R7 и R8 должен быть не менее, чем на порядок больше выходного транзистора:

Кроме того Ом

Т.к. , то , а .

Выбираем ближайшее значение из ряда Е24 Ом, Ом.

Мощность рассеивания: ,

выбираем мощностью 0,125 Вт;

, выбираем мощностью 0,25 Вт.

Напряжение смещение и температурную стабильность каскадов УМ обеспечивают диоды в базовых цепях предвыходных транзисторов.

Ток оконечных транзисторов является током покоя коллектора предоконечных транзисторов, т. е. . Ток базы покоя предоконечных транзисторов равен .

Для транзистора КТ315Д такой ток обеспечивается при напряжении база-эмиттер . Такое смещение может обеспечить диод Д310.

Ток для этих диодов берется более чем на порядок больше . Выбираем ток смещения диодов Д310 . Ток через диоды задается резисторами R4 и R5: . Выбираем значения резисторов .

Мощность, рассеиваемая на резисторе, .

Берем мощностью 0,125 Вт

Выбор обратной связи и ОУ.

По условию технического задания необходимо обеспечить величину коэффициента нелинейных искажений УМ . Определим величину глубины ООС по формуле: .

- коэффициент нелинейных искажений УМ без ООС. При расчете примем =10%, тогда А=50,5. Коэффициент усиления ОУ предварительного каскада УМ без ООС равен:

,

где коэффициент усиления оконечного каскада. ,

.

Частота среза ОУ для предварительного усилителя не должна быть меньше величины:

. (3.28)

- минимальная частота среза ОУ.

Скорость нарастания выходного напряжения ОУ должна удовлетворять величине выходного сигнала на верхней граничной частоте:

следовательно:.

Выберем операционный усилитель К574УД3

Параметры операционного усилителя:

коэффициент усиления:800

напряжение питания: 15В;

максимальное выходное напряжение: 13.5 (В);

скорость нарастания выходного сигнала: 50;

частота единичного усиления 15 МГц

Глубина ООС равна:

подставив значения, получим:

Сопротивление R3 возьмем равное R1_: (ряд Е-24).

Найдем R2:

, откуда , тогда:

Выбираем значение резистора .

Рассчитаем емкость C₂ исходя из граничной частоты полосы пропускания, равной 5 (Гц):

(3.31)

(ряд Е-24).

При номинальных значениях резисторов, подключенных ко входам ОУ, напряжение на них, создаваемое входными токами равно .

Все сопротивления мощностью 0.0625

Напряжение питания для операционных усилителей

Напряжение питания для операционных усилителей К574УД3 равны , при этом токи потребления равны . Питание усилителя мощности осуществляется от источников с напряжением , поэтому для питания операционных усилителей D1 и D2 устанавливаем параметрические стабилизаторы на стабилитронах КС515 с напряжением стабилизации при токе стабилизации .

Нагрузкой по току каждого стабилизатора будут два операционных усилителя: .

Гасящий резистор в цепи стабилитрона рассчитываем по формуле: .

Мощность, рассеиваемая на резисторе, равна

. Выбираем значение резистора R10=R11=180Ом мощностью 0,125 Вт.

Расчет источника питания

Исходные данные для расчета:

1) напряжение питания - сеть 220 В, 50 Гц;

2) ;

3) .

Выбираем остаточное напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора . Тогда напряжение на выходе выпрямителя .

Напряжение пульсаций на конденсаторе фильтра выпрямителя берется в пределах 5-10% от и равно

Тогда из формулы для определим величину емкости конденсатора фильтра: ,

где ,

тогда .

Ближайшее значение из ряда Е6 , или 2 конденсатора по 1200 мкФ, включенные параллельно.

С учетом напряжения пульсаций

Напряжение на выходе выпрямителя при самом низком напряжении в сети (при -15%):

,

а при максимальном напряжении сети (при +10%):

.

Выбираем для напряжения сети 220В . Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора при токе нагрузки .

Мощность вторичной обмотки: .

По данному расчету в справочнике выбираем трансформатор ТПП304 с габаритной мощностью .

Выбираем мощный транзистор для стабилизатора. По расчету транзистор должен иметь параметры:

Выбираем в выходных каскадах стабилизаторов те же транзисторы, что и в усилителе мощности, т. е. КТ853А, КТ829А.

Транзисторы для дифференциального каскада стабилизатора должны иметь следующие параметры:



.

Этим требованиям отвечает пара комплиментарных транзисторов КТ315Д и КТ361Д, имеющих:

, , ,

В качестве элемента, задающего опорное напряжение стабилизатора, выбираем стабилитрон КС191М с напряжением стабилизации при токе .

Рассчитаем значения резисторов, входящих в каскад.

. Выбираем R1=R2=1,8 кОм.

. Выбираем резисторы R32 и R33 на мощность 0,25 Вт.

Напряжение на резисторе . При токе

Выбираем R30=R31=680 Ом на мощность 0,0625 Вт.

Рассчитаем значения резисторов делителя напряжения в базовой цепи транзистора VT6.

Ток базы транзистора VT6 . Выбираем ток через резисторы R5-R7 на порядок больше, то есть 0.3 мА. Тогда .

Напряжение стабилизации стабилитрона , то есть примерно половина выходного напряжения стабилизатора, поэтому выбираем значения всех трех резисторов равными: R5=R6=R7. Так как , то .

Напряжение на каждом резисторе равно .

Мощность, рассеиваемая на каждом резисторе, равна .

Выбираем значения резисторов R5=R6=R7=R8=R9=R10=18.8кОм на мощность 0,0625 Вт.

Список используемой литературы

Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1967.

Титце У. , Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. М.: Мир, 1982.

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: Мир, 1983.

Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. М.: Мир, 1985.

Цыкина А.В. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты. М.: Связь, 1967.

Операционные усилители.Справочник. Том I. М.: Физико-математическая литература, 1993.

Под редакцией Голомедова А.В. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник. М.: Радио и связь, 1994.

Под редакцией Казьмина О.Н. Руководство к курсовому проектированию по электронным устройствам автоматики. Методические указания. Челябинск: ЧПИ, 1985.

Под редакцией Прохоренко В.А. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. Минск: Беларусь, 1994.

Под редакцией Горюнова Н.Н. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. М.: Энергоиздат, 1984.

Под редакцией Додика С. Д. , Гальперина Е. И. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет. М.: Советское радио, 1969.

Шрайбер Л. Я. , Макушев Э. И. Печатные схемы в радиотехнике. Л.: Энергия, 1967.

Размещено на Allbest.ru