Высококачественный усилитель переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

(СПбГЭТУ)

Факультет компьютерных технологий и информатики

Кафедра систем автоматизированного проектирования

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Схемотехника»

На тему: «Высококачественный усилитель переменного тока»

Выполнил

Студент гр. 2091

Соколов Ю.М.

Проверил

Горнаков А.Е

Санкт-Петербург2015

Задание на курсовое проектирование «Высококачественный усилитель переменного тока»

Параметры	Значения
Коэффициент усиления в полосе пропускания Ku	1000
Нижняя граничная частота полосы пропускания , Гц	200
Верхняя граничная частота , кГц, не менее	20
Входное сопротивление, кОм	200
Постоянное напряжение на выходе Uвых В, не более	1,5
Максимальное выходное напряжение Uвых м В	10
Максимальный ток нагрузки Iн м А	1,4

1. Выбор схемы усилителя переменного тока

1.1 Построение усилителя на основе инвертирующего РУ

Рис.1.1

Усилитель аналогичен схеме инвертирующего РУ с разделительным конденсатором на входе, представлен на Рис.1.1(ФГ - функциональный генератор, АБ - анализатор Боде).

Рис.1.2

На Рис.1.2 представлены асимптотические ЛАФЧХ операционного усилителя (график 1) и усилителя переменного тока (график 2), где - частота среза ОУ; - соответственно верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания усилителя переменного тока, на которых модуль коэффициента усиления снижается на 3 дБ по сравнению с максимальным значением; - полоса пропускания усилителя.

Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя переменного тока (см. Рис.1.2) в полосе пропускания определяются схемными функциями инвертирующего РУ.

; (1.1)

Частотная характеристика усилителя переменного тока в области нижних частот целиком формируется конденсатором С1, в области верхних частот она зависит от частотных свойств скорректированного ОУ(см. Рис.1.2), при этом граничные частоты определяются соотношениями

; (1.2)

Из соотношений (1) выбираем сопротивление R1==200 кОм;

R2=|Ku|*R1=1000*200 кОм = 200 Мом

Сопротивление R2 очень большое, практически трудно реализуемо (больше 10 Мом трудно реализовать). Следовательно в схеме Рис.1.1 не удастся получить совместно большое входное сопротивление. Схема не подходит.

усилитель переменный ток каскад

1.2 Схемная реализация усилителя на базе не инвертирующего РУ

Рис.2.1

Усилитель аналогичен схеме усилителя на базе не инвертирующего РУ, представленной на Рис.2.1, конденсатор С2 используется для минимизации входного напряжения покоя усилителя (сдвиг постоянного напряжения от нуля). Частотная характеристика усилителя аналогично характеристике 2, представленной на Рис.1.2. В полосе пропускания (С1 и С2 - к.з.) имеем частный случай не инвертирующего решающего усилителя.

При этом получаем

; (2.1)

Нижняя граничная частота

(2.2)

Верхняя граничная частота fв зависит от инерционных свойств операционного усилителя и коэффициента усиления всего усилителя переменного тока (чем он больше, тем она меньше, см. Рис.1.2) и окончательно определяется при эксперименте с системой NI ELVIS и моделировании в системе Multisim.

Таким образом, при использовании одного не инвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления (100…1000) и больше (1…10МОм) входное сопротивление усилителя, но при этом существуют определенные трудности в реализации высокой верхней граничной частоты fв.

Ручной расчет схемы Рис.2.1 - подготовка к моделированию в системе Multisim.

Рекомендации: желательно, чтобы все вычисленные сопротивления были не более 3 Мом, а выбираемая емкость не более 3 мкФ.

Выберем емкость С1=С2=1 мкФ

Из соотношения (2.2) = 796 Ом

Из соотношения (2.1) получаем R3==200 кОм

R2=(-1)R1=(1000-1)7961 Мом

Убеждаемся, что конденсатор С1 Становится «проходным» на более низких частотах, чем конденсатор С2, и тем самым практически не влияет на нижнюю граничную частоту

Гц,

1.3 Построение усилителя на основе двух усилительных подсхем

Рис. 3.1

От недостатка усилителя, изображенного на Рис.2.1, свободна схема усилителя переменного тока, представленная на Рис.3.1. Этот усилитель состоит из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на не инвертирующем РУ(DA1;R1;R2;R3), что позволяет обеспечить большое входное сопротивление усилителя переменного тока; входная подсхема представляет собой инвертирующий РУ(DA2;R4;R5) и используется для получения высокого коэффициента усиления KU всего усилителя переменного тока. В полосе пропускания:

(3.1)

Из графиков, приведенных на Рис.1.2 следует, что для получения наибольшей верхней граничной частоты усилителя (Рис.3.1) целесообразно выбирать коэффициенты усиления инвертирующего и не инвертирующего РУ по модулю примерно одинаковыми.

Нижняя граничная частота: (3.2)

Ручной расчет схемы Рис.3.1 - подготовка к моделировании в системе Multisim

Рекомендации: желательно, что бы все вычисленные сопротивления были не больше 3 Мом, а выбираемая емкость не более 3 мкФ.

Выберем емкость С1=С2=1 мкФ.

Из соотношения (3.2):

Для получения наибольшей частоты коэффициенты и должны быть примерно одинаковыми, тогда

R5=R4 = 796 = 25,17кОм

Это для инвертирующего РУ. Для не инвертирующего РУ: R3=.

Зададим R1=1 кОм, тогда R2 =

Убеждаемся, что конденсатор С1 становится «проходным» на более низких частотах, чем конденсатор С2, и тем самым практически не влияет на нижнюю граничную частоту :

2. Экспериментальное исследование усилителя переменного тока с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS

2.1 Усилитель на одном не инвертирующем РУ

Измерим частотные характеристики коэффициента усиления усилителя переменного тока, реализованного на базе не инвертирующего РУ (Рис.2.1). Определим и убедимся, что усилитель на одном не инвертирующем РУ имеет сравнительно небольшую верхнюю граничную частоту .

Действительно, верхняя граничная частота усилителя небольшая и равна 997,39 Гц. Это происходит из-за того, что при использовании одного не инвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление усилителя, но при этом возникают трудности в реализации высокой верхней граничной частоты . Как следует из частотной характеристики усилителя(характеристика 2 на Рис.1.2); чем выше коэффициент усиления усилителя переменного тока, тем меньше у него верхняя граничная частота . Исследуем постоянное выходное напряжение покоя усилителя(см. Рис.2.1). Напряжение измерим с конденсатором С2 и без него (резистор R1 подключен к общей шине). Убедимся, что введение конденсатора С2 позволяет существенно уменьшить напряжение покоя усилителя.

1) Напряжение покоя усилителя без конденсатора С2; Uвых = 5,031В

2) Напряжение покоя усилителя с конденсатором С2: Uвых =57 мВ

Действительно, из полученных результатов видно, что введение конденсатора С2 позволило намного уменьшить выходное напряжение покоя усилителя

2.2 Усилитель на не инвертирующем и инвертирующем РУ

Измерим частотные характеристики коэффициентов усиления усилителя переменного тока, представленного на Рис.3.1. Определим и убедимся, что усилитель имеет более высокую верхнюю частоту по сравнению с усилителем, изображенным на Рис.2.1

Действительно, верхняя граничная частота усилителя намного больше по сравнению с усилителем, изображенным на Рис.2.1 и равна =19905,36 Гц. Исследуем выходное напряжение покоя усилителя (см.Рис.3.1). Напряжение измерим с конденсатором С2 и без него(выход усилителя DA1 соединив с резистором R4). Убедимся, что введение разделительного конденсатора С2 позволяет существенно уменьшить напряжение покоя усилителя.

3) Напряжение покоя усилителя без конденсатора С2: Uвых=5 В

4) Напряжение покоя усилителя с конденсатором С2: Uвых=6,4 мВ

Действительно, введение конденсатора С2 позволило намного уменьшить выходное напряжение покоя усилителя

3. Моделирование усилителя переменного тока в системе Multisim

3.1 Усилитель с одной усилительной подсхемой

Значения R1,R2,R3,C1 и С2 рассчитаны ранее, в разделе 1.2. Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускания KU , нижнюю граничную частоту полосы пропускания и сравним полученные результаты с данными из задания на курсовое проектирование, а так же измерим выходное напряжение покоя усилителя с конденсатором и без него

KU=42.3 дБ 1000

=200 Гц

20 кГц

Как видно из полученных результатов, намного меньше заданной. Следовательно, схема усилителя на базе одного не инвертирующего РУ, представленная на Рис.2.2, не подходит, т.к. не удается получить необходимую верхнюю граничную частоту.

1) Напряжение покоя усилителя без конденсатора С2: Uвых=13,45 В

2) Напряжение покоя усилителя с конденсатором С1:Uвых=73,04 мВ

Из полученных результатов видно, что введение конденсатора С2 позволило намного уменьшить выходное напряжение покоя усилителя.

3.2 Усилитель с двумя усилительными подсхемами

Значение R1, R2, R3, C1 и C2 рассчитаны раннее, в разделе 1.3.

Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускание Ku, нижнюю граничную частоту полосы пропусканию fн, верхнюю граничную частоту fв и сравним полученные результаты с данными из задания на курсовое проектирование, а также измерим выходное напряжение покоя усилителя с конденсатором и без него.



KU = 1000

fн = 200 Гц

fв = 23.67 кГц

Полученные результаты удовлетворяют техническому заданию, следовательно, схема усилителя переменного тока, представленная на рис. 1.6., подходит.

Исследуем постоянное выходное напряжение покоя усилителя (рис. 1.6). Измерим напряжение с конденсатором С2 и без него (резистор R1 подключен к обшей шине). Убедимся, что введение конденсатора С2 позволяет существенно увеличить напряжение покоя усилителя.

Напряжение покоя усилителя без конденсатора С2: Uвых = 20.29 В.

Напряжение покоя усилителя с конденсатором С2: Uвых = 4.33 мВ.

Действительно, введение конденсатора С2 позволяет существенно уменьшить напряжение покоя усилителя.

4. Проектирование мощного выходного каскада усиления

Рис 4.1

Для экономии места на Рис.4.1 не приведена усилительная подсхема DA1, R1, R2, R3, C1 (см. Рис.3.1).

Назначение и функционирование выходного каскада

Выходной каскад (VT1 - VT4, R6 - R9) предназначен для получения большого тока нагрузки Iн.м = 1,4 А. Интегральный ОУ 741 имеет максимальный ток нагрузки Iн.м = 10 - 20 мА, что явно недостаточно для нашего усилителя. Выходной каскад усиливает только по току - по напряжению его коэффициент передачи близок к единице (повторитель напряжения). Действительно, VT1 и VT3 по одному пути и VT2 и VT4 по другому - это каскады с общим коллектором, не инвертируют фазу. KU = 1. Выходной каскад на рисунке - это двухтактный каскад режима класса АВ с непосредственной связью.

При Uвых > 0 (полярность без скобок) VT3 находится в активном усилительном режиме, VT 4 - в отсечке. Ток нагрузки Iн течет по цепи:

+ UИП - коллектор - эмиттер VT3 - R8 - Rн - ОШ.

При Uвых < 0 (полярность со скобками) VT4 находится в активном усилительном режиме, VT 3 - в отсечке. Ток нагрузки Iн течет по цепи:

ОШ - Rн - R9 - коллектор - эмиттер VT4 - - UИП.

Наличие двух источников питания позволяет обеспечить двуполярный диапазон изменения выходного напряжения.

- 10 В ? Uвых ? + 10 В.

Режим класса АВ создается введением транзисторов VT1, VT2.

Падение напряжения UАВ = UэбVT1 + UэбVT2 = 0,6 + 0,6 = 1,2 В приоткрывает транзисторы VT3, VT4 при Uвых < 0. Через них течет некоторый начальный сквозной ток I0. При этом рабочая точка транзисторов VT3 - VT4 выводится на начало линейного участка - точка АВ на Рис.4.2, что минимизирует нелинейные искажения выходного напряжения Выходной каскад и всего усилитель.

Резисторы R8, R9 необходимы для ограничения сквозного тока I0.

Расчет выходного каскада

Из технического задания:

Uвых.м = 10 В; Iн.м = 1,5 А.

Статический коэффициент по току транзистора с общим эмиттером:

Определяем минимальное сопротивление нагрузки:

Сопротивление R6 резистора R6 выбирается из условия обеспечения напряжения.

Uвых.м = +10 В при Iн = Iн.м = 1,4 А.

Iэ1.мин = 2 мА - меньше нельзя, так как VT1 потеряет усилительные свойства.

При этом в цепи базы транзистора VT3 течет максимальный ток.

Тогда

При Uвых=10 В из второго закона Кирхгофа получаем: UИП = UR6 + Uэб3 + UR8 + Uвых.м.

Зададимся UR8 = 0,2 В, U эб3 = 0,8 В.

Тогда UR6 = UИП - Uэб3 - UR8 - Uвых.м = 15 - 0,8 - 0,2 - 10 = 4 В.

Определим сопротивление R8 резистора R8:

IR8 = Iн.м; R8 = UR8 / IR8 = 0,14 Ом.

Аналогичным образом определяем R7 , R9.

Из условия обеспечения напряжения: - Uвых.м = -10 В при Iн = - Iн.м = - 1 А.

Если вмин3 = вмин4, то из свойств симметрии получаем:

R7 = R6 = 330 Ом.

R9 = R8 = 0,1 Ом.

Максимальная мощность, рассеиваемая на элементах выходного каскада

VT3 и VT4 - нужен теплоотвод, поскольку допустимая мощность рассеивания на транзисторах без теплоотвода как правило не превышает 2-4 Вт.

VT1 и VT2 без теплоотвода.

Определим максимальную мощность на R6

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта была спроектирована схема высококачественного усилителя переменного тока, состоящего из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на не инвертирующем РУ, что позволяет обеспечить большое входное сопротивление усилителя переменного тока; выходная подсхема представляет собой инвертирующий РУ и используется для получения высокого коэффициента усиления КU всего усилителя.

Такой усилитель имеет высокую верхнюю граничную частоту.

Список литературы

1. Экспериментальное исследование аналоговых электронных устройств на базе NI ELVIS: Методические указания к лабораторным работам по дисчиплине «Схемотехника» /Сост.:К.Г. Жуков, А.И. Ларистов, В.А. Михалков, Ю.М. Соколов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. 32 с.

Размещено на Allbest.ur