Проектирование усилителей электрических сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

					КП 52.292028.201Э2
Изм.	Лист	№ докум.	Подп.	Дата	Усилитель постоянного тока Схема электрическая принципиальная	Лит.	Лист	Листов
Разраб.	стр. 2 13.07.2016Колян стр. 2 13.07.2016Колян стр. 2 13.07.2016В.И.ППП.С.					У		1 - 2 -
Пров.					МГВРК
Утв.

Исходные данные

Введение

Ускорение научно-технического прогресса и интенсификация производства невозможны без электронных средств автоматизации управления и контроля, которые служат для получения, обработки и использования информации.

В настоящее время в современной технике широко используется принцип управления энергией, позволяющий при помощи затраты небольшого количества энергии управлять энергией, но во много раз большей. Форма как управляемой, так и управляющей энергии может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и т.д.

Частный случай управления энергией, при котором процесс управления является плавным и однозначным и управляемая мощность превышает управляющую, носит название усиления мощности или просто усиления; устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем.

Очень широкое применение в современной технике имеют усилители, у которых как управляющая, так и управляемая энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

Усилители электрических сигналов, применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры.

Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах.

1. Выбор и обоснование электрической схемы

1.1 Классификация усилителей

К электронным усилителям относятся устройства, в которых функцию усиления электрических сигналов выполняют полупроводниковые приборы или электронные лампы.

Из полупроводниковых усилительных приборов наиболее распространены биполярные транзисторы. В последнее время расширяется применение в усилителях полевых транзисторов и интегральных микросхем. Различают ламповые и полупроводниковые усилители, причем последние подразделяются на усилители с биполярными и полевыми транзисторами (употребляется также смешанное применение биполярных и полевых транзисторов) и с микросхемами.

Усилители делятся на ряд типов по различным признакам. По роду усиливаемых электрических сигналов усилители можно разделить на две группы:

- усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя.

- усилители импульсных сигналов, предназначенные для усиления
непериодических сигналов, например непериодической последовательности
электрических импульсов различной величины и формы.

По ширине полосы и абсолютным значениям усиливаемых частот усилители делятся на ряд следующих типов:

- усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся напряжений и токов, усиливающие электрические колебания любой частоты в пределах от низшей нулевой рабочей частоты до высшей рабочей частоты.

- усилители переменного тока, усиливающие колебания частоты от низшей границы до высшей, но неспособные усиливать постоянную составляющую сигнала.

- усилители высокой частоты (УВЧ), предназначенные для усиления электрических колебаний несущей частоты, например принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства. Усилители низкой частоты (УНЧ), предназначенные для усиления гармонических составляющих не преобразованного передаваемого или принимаемого сообщения.

- усилители низкой частоты характеризуются большим отношением высшей рабочей частоты к низшей, лежащим в пределах 10 - 500 для усилителей звуковых частот и превышающим 10 для некоторых типов видео усилителей. Усилители с высшей рабочей частотой порядка сотен килогерц и выше, одновременно имеющие большое отношение высшей рабочей частоты к низшей, обычно называются широкополосными усилителями.

Из трех типов транзисторных каскадов для усиления напряжения пригодны два: каскад с общей базой и каскад с общим эмиттером. Каскад с общим коллектором может быть применен в многокаскадных системах, однако непосредственного усиления напряжения такой каскад не дает и выполняет вспомогательную роль.

1.2 Обзор методов построения аналогичных устройств

Усилителями постоянного тока (УПТ) называются устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов вплоть до нулевой частоты. На рис. 1.1. приведена АЧХ для усилителя постоянного тока.

Отличительной особенностью УПТ является отсутствие разделительных элементов, предназначенных для отделения усилительных каскадов друг от друга, а также от источника сигнала и нагрузки по постоянному току.

Таким образом, для осуществления передачи сигналов частот, близких к нулю, в УПТ используется непосредственная (гальваническая) связь. Непосредственная связь может быть использована и в обычных усилителях переменного тока с целью уменьшения числа элементов, простоты реализации в интегральном исполнении, стабильности смещения и т. д.

Однако такая связь вносит в усилитель ряд специфических особенностей, затрудняющих как его выполнение, так и эксплуатацию. Хорошо передавая медленные изменения сигнала, непосредственная связь затрудняет установку нужного режима покоя для каждого каскада и обусловливает нестабильность их работы.

При разработке УПТ приходится решать две основные проблемы: согласование потенциальных уровней в соседних каскадах и уменьшение дрейфа (нестабильности) выходного уровня напряжения или тока. Применение усилительных каскадов в УПТ ограничивается дрейфом нуля.

Дрейфом нуля (нулевого уровня) называется самопроизвольное отклонение напряжения или тока на выходе усилителя от начального значения. Этот эффект наблюдается и при отсутствии сигнала на входе. Поскольку дрейф нуля проявляется таким образом, как будто он вызван входным сигналом УПТ, то его невозможно отличить от истинного сигнала.

Существует достаточно много физических причин, обусловливающих наличие дрейфа нуля в УПТ. К ним относятся нестабильности источников питания, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов, низкочастотные шумы, помехи и наводки. Среди перечисленных причин наибольшую нестабильность вносят изменения температуры, вызывающие дрейф.

Этот дрейф обусловлен теми же причинами, что и нестабильность тока коллектора усилителя в режиме покоя изменениями Iкбо, Uбэ0 и B. Поскольку температурные изменения этих параметров имеют закономерный характер, то в некоторой степени могут быть скомпенсированы. Так, для уменьшения абсолютного дрейфа нуля УПТ необходимо уменьшать коэффициент нестабильности Sнс.

Абсолютным дрейфом нуля , называется максимальное самопроизвольное отклонение выходного напряжения УПТ при замкнутом входе за определенный промежуток времени. Качество УПТ обычно оценивают по напряжению дрейфа нуля, приведенного ко входу усилителя: едр=.

Приведенный ко входу усилителя дрейф нуля не зависит от коэффициента усиления по напряжению и. эквивалентен ложному входному сигналу. Величина едр ограничивает минимальный входной сигнал, т. е. определяет чувствительность усилителя.

В усилителях переменного тока, естественно, тоже имеет место дрейф нуля, но так как их каскады отделены друг от друга разделительными элементами (например, конденсаторами), то этот низкочастотный дрейф не передается из предыдущего каскада в последующий и не усиливается им. Поэтому в таких усилителях дрейф нуля минимален и его обычно не учитывают. В УПТ для уменьшения дрейфа нуля, прежде всего, следует заботиться о его снижении в первом каскаде. Приведенный ко входу усилителя температурный дрейф снижается при уменьшении номиналов резисторов, включенных в цепи базы и эмиттера. В УПТ резистор RЭ большого номинала может создать глубокую ООС по постоянному току, что повысит стабильность и одновременно уменьшит KU для рабочих сигналов постоянного тока. Поскольку здесь KU пропорционален Sнс, то величина едр оказывается независимой от Sнс. Минимального значения едр можно достичь за счет снижения величин Rэ, Rб и Rr. При этом для кремниевых УПТ можно получить Кремниевые УПТ более пригодны для работы на повышенных температурах.

Следует подчеркнуть, что работа УПТ может быть удовлетворительной только при превышении минимальным входным сигналом величины Сдр. Поэтому основной задачей следует считать всемерное снижение дрейфа нуля усилителя.

С целью снижения дрейфа нуля в УПТ могут быть использованы следующие способы: применение глубоких ООС, использование термокомпенсирующих элементов, преобразование постоянного тока в переменный и усиление переменного тока с последующим выпрямлением, построение усилителя по балансной схеме и др.

1.3 Структурная схема усилителя постоянного тока

При проектировании усилителя постоянного тока следует учесть, что его структурная схема состоит из нескольких частей:

Размещено на http://www.allbest.ru/

					КП 52.292028.201Э2
Изм.	Лист	№ докум.	Подп.	Дата	Усилитель постоянного тока Схема электрическая принципиальная	Лит.	Лист	Листов
Разраб.	стр. 2 13.07.2016Колян стр. 2 13.07.2016Колян стр. 2 13.07.2016В.И.ППП.С.					У		1 - 2 -
Пров.					МГВРК
Утв.

Рис. 1.2.

Источник сигналов служит для подачи сигнала, который нужно усилить; входной и выходной каскады, которые служат непосредственно как усилитель; нагрузка служит для непосредственного приёма усиленного сигнала. Спецификация входного и выходного каскадов обуславливается конкретными характеристиками источника сигнала и нагрузки, с которыми непосредственно связаны эти каскады. Выбор схемы и режима входного каскада осуществляется с учётом свойств источника усиливаемого сигнала. Аналогично, выбор схемы и режима выходного каскада зависит в первую очередь от нагрузки, на которую работает усилитель: необходимого уровня (мощности, напряжения или тока) сигнала, характера и величины сопротивления нагрузки, наличия зажима, допускающего соединение с общим (заземлённым) проводом и т. д.

Определение структурной схемы усилителя составляет первый этап проектирования всякого усилительного устройства, после чего возможен подробный расчёт всех каскадов. В то же время правильный выбор структурной схемы, позволяющий получить требуемые характеристики усилителя в целом, опирается на знание типичных характеристик, которыми обладают различного вида усилительные каскады, вариантов их схем и режимов, способов связи между собой и достаточного ассортимента схемных решений, таких устройств, как регуляторы, частотные корректоры, включая схемы с обратной связью.

Для построения принципиальной схемы я использовал каскады на биполярных транзисторах, включённые с общим эмиттером, когда выход предыдущего каскада гальванически соединен с входом последующего

В качестве источника сигнала возьмем датчик. Для компенсации постоянного напряжения на нагрузке в режиме покоя включаем делитель напряжения R1 и R2. Сопротивления этих резисторов выбираются из условий баланса мостовой схемы, в которую включена нагрузка Rн. При правильно выбранном делителе потенциал его средней точки в режиме покоя равен потенциалу покоя на базе первого транзистора.

Кроме этого, при разработке УПТ необходимо обеспечивать согласование потенциалов не только между каскадами, но и с источником сигнала и нагрузкой. Если источник сигнала включить на входе усилителя между базой первого транзистора и общей шиной, то через него будет протекать постоянная составляющая тока от источника питания EK. Поэтому для устранения этого тока на схеме включаем генератор входного сигнала между базой транзистора VТ1 и средней точкой специального делителя напряжения, образованного резисторами R1 и R2.

Резисторы Rэ1 и Rэ2 не только создают местную последовательную ООС по току, но и обеспечивают необходимое напряжение в своих каскадах.

Эта схема поможет мне реализовать поставленные задачи.

Недостатком рассматриваемой схемы УПТ является, то что для обеспечения режимов покоя транзисторов сопротивления резисторов и должны удовлетворять условиям: , где n - номер каскада усилителя. Вследствие этого коэффициент усиления напряжения убывает от каскада к каскаду, т.е. . Поэтому проектирование такого усилителя с числом каскадов более трёх - четырёх оказывается нецелесообразным.

2. Электрический расчет

Схема электрическая

Рассчитаю двухкаскадный УПТ с непосредственной межкаскадной связью, если источником сигнала служит датчик. включенный в мостовую схему.

Дано:

Ек = 30 В - напряжение источника питания.

?UВХ = ± 0,2 В- максимальные изменения входного сигнала.

RС = 1,8 кОм - внутреннее сопротивление источника входного

сигнала.

RН = 6,2 кОм - сопротивление нагрузки.

?UВЫХ = 8 В - требуемое максимальное изменение выходного напряжения.

t°ОKP = (30±10)°C - температура окружающей среды.

Расчет:

1. По заданному напряжению ЕК выбираю транзисторы с максимально допустимым напряжением и возможно малым обратным коллекторным током IКБО.

Беру для обоих каскадов транзистор КТ 361А со следующими параметрами: усилитель ток транзистор дрейф

= 30 В;

= 50 мА;

= 25 мкА;

= 85°С;

= 150 мВт;

h11Э = 500 Ом; h21Э = 50100 (для расчета принимаем h21Э = 75).

2. Определяю режим покоя для транзистора второго каскада. Согласно формуле

выбираю ¦U кэп¦ = 11 В.

До расчёта сопротивлений резисторов R1, R2 и RК2 оценить значения R'К2 и выбрать ток IК2 затруднительно, поэтому нахожу его из условия . Принимаю IК2 = 10 мА.

Рис. 2.2. Входная (а) и выходная (б) статические характеристики транзистора типа КТ361А

Выбранной точке покоя П (рис.4.2) соответствует ток IБ2 = 150 мкА.

По входным характеристикам транзистора нахожу напряжение = 0,135 В, соответствующее току IБ2 в точке покоя.

3. Проверяю режим покоя на соответствие допустимой рассеиваемой мощности коллектора:

,

где максимальная допустимая мощность при наибольшей температуре окружающей среды

В нашем случае

4. Приняв напряжение

5.

6. определяю сопротивление резисторов:

При этом и

.

В результате расчета получил

.

7. Определяю сопротивления делителя. Сопротивления этих резисторов выбирают из условий баланса мостовой схемы, в которую включена нагрузка RH:

, где

- сопротивление транзистора VТ2 в режиме покоя.

Задаваясь сопротивлением , нахожу:

R1 = 1,33 кОм (1,5 кОм);

R2 = 1,16 кОм (1,2 кОм).

8. Определяю сопротивление нагрузки для второго каскада

Где

9. Проверяю правильность выбора тока IК2 , для чего рассчитаю требуемую амплитуду тока

Таким образом, выбранное мной значение тока IК2=10 мА удовлетворяет условию , где - коэффициент запаса.

9. Определяю коэффициент усиления напряжения второго каскада

10. Определяю необходимое входное напряжение второго каскада

11. Определяю напряжение UК1 в режиме покоя

12. Выбираю точку покоя транзистора VT1. Для этого, задаваясь значением нахожу

.

Необходимое изменение коллекторного тока первого транзистора



в режиме покоя нужно обеспечить ток

,

где

- обратный коллекторный ток при максимальной температуре окружающей среды .

Подставляя в выражение для IК1 сопротивление резистора RК1

, находим:

Принимаю IК1 = 3 мА. Выбранной точке покоя В и IК1 = 3 мА соответствует ток IБ = 50мкА и напряжение UБЭI = -0,1 В, которое определяется по входным характеристикам транзистора (рис. 2.2).

13. Определяю сопротивления резисторов:

где

В выражении для IRб значение подставляются со своим знаком. В нашем случае в режиме покоя Ес = 0

14. Определяю входное сопротивление усилителя

и коэффициент усиления первого каскада

где

15. Общий коэффициент усиления напряжения

с некоторым запасом обеспечивается требуемое усиление

КТР = ?UВЫХ/?UВХ = 8/0,2=40.

16. Определяем дрейф выходного напряжения. Для этого находим изменения обратных коллекторных токов транзисторов ?IКБО при изменении температуры окружающей среды в пределах 20-40°С и коэффициент нестабильности первого каскада q1:



Нестабильность (дрейф коллекторного тока первого транзистора Изменение (дрейф тока нагрузки первого каскада с учётом направления обратных токов и равен

Дрейф входного напряжения второго каскада

UВХ2др=I1дрRН1=3610-66103=0,2 В

и дрейф выходного напряжения усилителя

Uвых.др=UВХ2дрК2=0,23,92=0,78 В.

Дрейф входного напряжения составляет 7,8 % значения выходного сигнала. Дрейф выходного напряжения можно уменьшить, если выбрать транзистор VT2 с током >. Например, выберем транзистор VT1 с обратным током , а транзистор VT2 - c .

Тогда:



Дрейф входного напряжения второго каскада

UВХ2др=I1дрRН1=5,410-66103=0,03 В

и дрейф выходного напряжения усилителя

Uвых.др=UВХ2дрК2=0,033,92=0,1 В.

Дрейф входного напряжения составляет 1% выходного сигнала.

Заключение

Свойства усилителей во многом определяются областью их применения. Чтобы судить о возможности использования конкретного усилителя в том или ином электронном устройстве, необходимо знать его основные параметры, такие как коэффициент усиления, выходная мощность, чувствительность, диапазон усиливаемых частот, входное и выходное сопротивление и другие.

Промышленность выпускает сотни типов усилителей постоянного тока, которые обладают различными преимуществами друг перед другом и позволяют строить различные схемы. Кроме того, в настоящее время усилители представляют собой миниатюрные электронные блоки. Выпускаются также специализированные интегральные усилители.

Все это позволило не только повысить надежность электронных изделий, снизить энергопотребление (возможность использования в портативных и переносных изделиях), но и создавать устройства с высококачественным звучанием и большой функциональной насыщенностью. Они используются в различных сферах деятельности, науке и в быту человека.

Литература

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982.

2. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. - М.: Сов.радио, 1980.

3. Игумнов Д. В., Костюнина Г. П. Полупроводниковые устройства непрерывного действия. - М.: Радио и связь, 1986.

4. Забродин Ю. С. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1982.

5. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Мир, 1984.

6. Миклашевский С. П. Промышленная электроника. - М.: Недра, 1973.

7. Алексеев О. Вю., Китаев В. Е., Шихин А. Я. Электротехнические устройства. - М.: Энергоиздат, 1981.

8. Обозначения условные, буквенно-цифровые, применяемые на электронных схемах.

9. Правило выполнения электрических схем. ГОСТ 2.702-75.

10. Обозначения условные графические в схемах. ГОСТ 2.721-74, ГОСТ 2.728-74

Приложение

Размещено на Allbest.ru