Разработать усилитель медленноменяющегося знакопеременного напряжения на базе ОУ и транзисторного каскада

Министерство образования и науки РФ Московский Государственный Открытый Университет Факультет информатики и радиоэлетроники Кафедра информационных систем и измерительных технологий Курсовая работа по дисциплине: «Электроника и микропроцессорная техника.Часть1» Тема: «Разработать усилитель медленноменяющегося знакопеременного напряжения на базе ОУ и транзисторного каскада» Задание №2 Выполнил (а) студент (ка) … курса специальность 200106 Ф.И.О…………….. шифр …………….. Руководитель курсовой работы ____________________ Студент _____________________ «___» __________ 2009 г. Руководитель _____________________ «___» __________ 2009 г. Москва, 2009 г. Содержание ВВЕДЕНИЕ 3 1. Начальные данные задания 4 2. Назначение и принцип работы схемы 5 2.1 Расчет 6 3. Структурная схема 10 4. Функциональная схема 14 5. Принципиальная электрическая схема 14 Список литературы 20 ВВЕДЕНИЕ Операционные усилители (ОУ), являющиеся практически идеальными усилителями напряжения, находят широкое применение в аналоговой схемотехнике. Несмотря на ряд ограничений, присущих реальным ОУ, при анализе и синтезе большинства схем используют идеальные модели операционных усилителей, считая, что: коэффициент усиления дифференциального напряжения бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала; коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю; сопротивление по обоим входам бесконечно велико; отсутствует напряжение смещения нуля и его дрейф; скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика. Параметры реальных ОУ несколько хуже. Однако знание реальных значений параметров конкретного операционного усилителя позволяет достаточно просто оценить погрешность схемы и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУ в конкретном устройстве. 1. Начальные данные задания Задание №2 Разработать усилитель медленноменяющегося знакопеременного напряжения на базе ОУ и транзисторного каскада по данным: , – шаг изменения диапазона; Условное обозначение для программы: A , – шаг изменения диапазона; Условное обозначение для программы: B , – шаг изменения диапазона; Условное обозначение для программы: C , – шаг изменения диапазона; Условное обозначение для программы: D Rн –допустимое значение сопротивления нагрузки ОУ; Rвх – входное сопротивление транзисторного каскада; Rи – внутреннее сопротивление источника входного сигнала; KU – коэффициент усиления напряжения; 2. Назначение и принцип работы схемы Для начала полного изучения принципа работы всей схемы, выберем схему выходного транзисторного каскада усилителя (рекомендуется двухтактный миттерный повторитель на транзисторах с дополнительной симметрией), данная схема: Рассмотрев данную схему, выбираем ее тип: n-p-n типа КТ3130А с параметрами: Pк.макс=200 мВт, Iк.макс=200 мА, h21 = 200: Ток эмиттера является входным током, ток коллектора – выходным. Выходной ток составляет часть входного, т.е. 2.1 Расчет где - коэффициент передачи тока для схемы ОБ; 1. Входное сопротивление h11 = U1/I1=5 при U2 = const. (4.4) представляет собой сопротивление транзистора переменному входному току при котором замыкание на выходе, т.е. при отсутствии выходного переменного напряжения. 2. Коэффициент обратной связи по напряжению: h12 = U1/U2=100 при I1 = const. (4.5) показывает, какая доля входного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие обратной связи в нем. 3. Коэффициент усилия по току (коэффициент передачи тока): h21 = I2/I1=10 при U2 = const. (4.6) показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки. 4. Выходная проводимость: h22 = I2/U2= 200 при I1 = const. Поскольку выходной ток меньше входного, то коэффициент 1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина  составляет 0,950,995. Из принципа действия транзистора известно, что через вывод базы протекают во встречном направлении две составляющие тока (рис. 4.6): обратный ток коллекторного перехода Iко и часть тока эмиттера (1 − )Iэ. В связи с этим нулевое значение тока базы (IБ = 0) определяется равенством указанных составляющих токов, т.е. (1 − )Iэ = Iко. Нулевому входному току соответствуют ток эмиттера Iэ=Iко/(1−)=(1+)Iко и ток коллектора: Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р-n- перехода закрыты). Если же на обоих переходах напряжение прямое (оба р-n- перехода открыты), то транзистор работает в режиме насыщения. выбрать тип операционного усилителя по критериям: Uп1,2 =Uк , где Uп является допустимым напряжением питания для ОУ, Uк – напряжения коллекторного питания выходного каскада; Rн  0,1Rвх, В справочниках обычно не приводится семейство входных характеристик, а даются лишь характеристики для UКЭ = 0 и для некоторого UКЭ  0. Входные характеристики для различных UКЭ, превышающих 1В, располагаются очень близко друг к другу. Поэтому расчет входных токов и напряжений можно приближенно делать по входной характеристике при UКЭ  0, взятой из справочника. На эту кривую переносятся точки А, То и Б выходной рабочей характеристики, и получаются точки А1, Т1 и Б1 . Рабочая точка Т1 определяет постоянное напряжение базы UБЭП и постоянной ток базы IБП. Сопротивление резистора RБ (обеспечивает работу транзистора в режиме покоя), через который от источника ЕК будет подаваться постоянное напряжение на базу: В активном (усилительном) режиме точка покоя транзистора То находится примерно посередине участка линии нагрузки АБ, а рабочая точка не выходит за пределы участка АБ. В рассматриваемой упрощенной теории коэффициенты a , a I , b , b I считаются постоянными, однако опыт показывает, что они изменяются, как при изменении тока связи iЭ-К (на практике рассматривают зависимость от тока эмиттера iЭ, отличающегося от тока связи на несколько процентов, но легко измеряемого), так и от обратного напряжения на коллекторном переходе uКП. Типичный вид зависимостей для b показан на рис.1. (Коэффициент a изменяется аналогично, но его изменениями можно пренебречь, так как a » 1. Пример: если a =0,99, то b = a /(1- a) =99 , а при a =0,98 b =49. Таким образом, изменению a на 1% соответствует изменение b примерно в 2 раза). В области малых токов эмиттера (рис.1 , участок 1) спад b связан с рекомбинацией носителей в самом эмиттерном переходе; в области больших токов (участок 3) уменьшение b связано с увеличением концентрации дырок в базе и возрастанием дырочной составляющей тока эмиттерного перехода. Возрастание b с увеличением обратного напряжения на коллекторе вызвано уменьшением ширины базы и рекомбинационных составляющих токов.Точка пересечения линии нагрузки с одной из статических ВАХ называется рабочей точкой транзистора. Изменяя IБ, можно перемещать ее по нагрузочной прямой. Начальное положение этой точки при отсутствии входного переменного сигнала называют точкой покоя – Рис. 1 Выбор схемы выпрямителя Определим сопротивление нагрузки: Rн = Ud н / Id н; Rн = = 10 Ом. Выпрямленная мощность Pd = Ud н •Id н; Pd =160 • 16 = 2 560 Вт. При мощностях, превышающих 1 кВт, рекомендуется применять выпрямители трехфазного тока. Для уменьшения размеров трансформатора и фильтра выбираем схему Ларионова, имеющую высокие технико-экономические показатели. Выбор вентилей Для выбранной схемы определим средний ток через диод: ; А Ориентировочное значение обратного напряжения на вентиле Uобр m > 1,045 Ud н. Принимаем Uобр m = 1,1•1,045Ud н; Uобр m = 1,1•1,045•160 = 183,92 В. По справочным данным выбираем тип вентиля. В данном случае подходит диод типа Д215А (6 вентилей, по одному вентилю в каждом плече моста), который имеет следующие параметры: номинальный прямой ток Iа н = 10 А; прямое падение напряжения Uа = 1 В; допустимое обратное напряжение Uобр доп =200 В; среднее значение обратного тока Iобр = 3 мА. Выбор и расчет схемы фильтра В трехфазных схемах выпрямления средней и большой мощности наиболее целесообразно использовать сглаживающий фильтр с индуктивной реакцией, т. е. начинающийся с дросселя. Необходимый коэффициент сглаживания фильтра с учетом явления коммутации где k п вх – коэффициент пульсаций на выходе вентильной группы. Для трехфазной мостовой схемы выпрямления Ларионова kп = 0,057. Тогда коэффициент сглаживания S = (1,5,...,2,0) = 20,5. Так как S>20 выбираем Г-образный LС-фильтр. Для схемы Ларионова fо.г = 300 Гц. Рассчитываем минимальное значение индуктивности дросселя, Гн Гн. Определяем значение емкости конденсатора, мкФ . 3. Структурная схема По графикам определим и значения: Iб0=0,3 мА; ±Im б = ±0,5 (Iб max – Iб min); Im б = 0,5 (0,5– 0,1) = 0,2 мА; Iк0=22 мА; ±Im к = ±0,5 (Iк max – Iк min); Im к = 0,5 (34-8) =13 мА; Iэ0 = Iб0+Iк0; Iэ0=0,0003+0,022 = 0,0223 А; Uбэ0=0,24 В; ±Um бэ = ±0,5 (Uб max – Uб min); Um бэ = 0,5 (0,275 - 0,18) = 0,095 В. Uкэ0 = 6,2 B ±Um кэ = ±Um вых = ±0,5(Uкэ max – Uкэ min). Um кэ = 0,5(10,4 - 2,0) = 4,2 B. Рассчитаем значения hэ-параметров для схемы с общим эмиттером: h11э = h11б / (1+h21б); h11э = 25 / (1+(-0,98)) = 1250 Ом. h12э = (h11бh22б – h12бh21б – h12б) / (1+h21б); h12э = (25 1 10-6 – 2 10-3 (-0,98) – 2 10-3) / (1-0,98)= -0,00075. h21э = – h21б / (1+h21б); h21э = – (-0,98) / (1-0,98) = 49. h22э = h22б / (1+h21б); h22э = 1 10-6 / (1-0,98)=1 10-5 См Для схемы включения транзистора с общим эмиттером определим входное сопротивление транзистора: rвх транз = h11э; rвх транз =1250 Ом. Определим коэффициент передачи тока:  = h21э;  = 49. Рассчитаем значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов: Rэ = (0,2,…,0,3) Eк / Iэ0; При подстановке значений получаем: Rэ = 0,25 / 0,0223 = 151,35 Ом. Принимаем Iдел = (2,…,5) Iб0; Iдел = 3,5 0,0003 = 0,00105 А. Рассчитаем делитель напряжения на резисторах R1 и R2: R1 = (Iэ0Rэ + Uбэ0) / Iдел; R1 =(0,0223 151,35 + 0,24) / 0,00105 = 3442,95 Ом. R2 = (Eк – IделR1) / (Iдел + Iб0); R2 = (13,5 – 0,00105 3442,95) / (0,00105 + 0,0003) = 7323,15 Ом Рассчитаем напряжение, позволяющее регулировать разность потенциалов Uкэ. Rк = (Eк – Uкэ0 – Iэ0Rэ) / Iк0; Rк = (13,5 – 6,2–0,0223 151,35)/0,022 = 178,4 Ом. Рассчитаем эквивалентное сопротивление базовой цепи для переменной составляющей входного тока: Rб = R1R2 / (R1+R2); Rб = 3442,95 7323,15/(3442,95 + 7323,15) = 2341,9 Ом. Значения емкости конденсаторов при частотной полосе входного сигнала в пределах fн = 100 Гц, fв = 10000 Гц определяются так: Cэ = 107 / [(1,…,2)2fнRэ]; Cр1 = Cр2 = 107 / [(1,…,2)2fнRкаск вх], где Cэ, Cр1 и Cр2 – в мкФ. При подстановке значений получаем: Cэ = 107 / [1,5 2 3,14 100 151,35] = 76,75 мкФ. Определим параметры усилительного каскада. Рис. 2 . Расчетные значение (графическое постраение) Входное и выходное сопротивления каскада определяются следующим образом: Rкаск вх = Rбrвх.транз / (Rб + rвх.транз); Rкаск вх = 2341,9 1250/ (2341,9+1250) = 815 Ом. Rкаск вых = Rк / (1 + h22эRк); Rкаск вых = 178,4 / (1+1 10-5 ) = 178,08 Ом. Cр1 = Cр2 = 107 /[1,5 2 3,14 100 815] = 13,03 мкФ . Коэффициенты усиления каскада без дополнительной внешней нагрузки, а также без учета внутреннего сопротивления источника входного сигнала имеют вид: KI = Iвых / Iвх  ; KI=49. KU = – ( Rк) / Rкаск вх; KU = – (49 ) /815 = -10,73. KP = KIKU; KP=49 (-10,73) = –525,6. Полезная выходная мощность каскада Pвых = 0,5 (Um вых)2 / Rк; Pвых = 0,5 (4,2)2 / 178,4 = 0,0494 Вт. Полная мощность, расходуемая источником питания, P0 = Iэ0Eк + I2дел (R1 + R2) + I2б0R2; P0 =(0,00105)2 (3442,95 + 7323,15) +(0,0003)2= 0,314 Вт. Вычислим электрический КПД усилительного каскада э = (Pвых / P0) 100%; э = (0,0494/ 0,314) 100% = 15,7%. Вычислим коэффициент нестабильности каскада по коллекторному току (желательно, чтобы он был меньше) S =  / (1+); где  = Rэ / (Rб + Rэ).  = 151,35/ (2341,9 + 151,35) = 0,061; S =49 / (1+49 0,061) = 12,33. S  (Rб + Rэ) / [(1+h21б) Rб + Rэ], S  ( 2341,9 + 151,35) / ((1-0,98) 2341,9 + 151,35) = 12,58. 4. Функциональная схема 5. Принципиальная электрическая схема Рис. 4.Входные характеристики КТ3140А транзистора с ОЭ. Рис. 5. Выходные характеристики КТ3140А транзистора с ОЭ. Временные диаграммы Таблица элементов Поз. обоз. Наименование Кол Примечание R резистор С2-24-0.25-200Ом 1% 1 VD стабилитрон Д814В 1 Поз. обоз. Наименование Кол Примечание Резисторы R1 С2-22-0.125-680Ом 0.5% 1 R2 C2-23-0.125-8.2КОм 5% 1 VD стабилитрон 2С213Б 1 Поз. обоз. Наименование Кол Примечание Конденсаторы C1 К50-3-60В-510мкФ 1 C2 К50-3-60В-22мкФ 1 C3 то же 1 Дроссели L1 1 L2 1 Поз. обоз. Наименование Кол Примечание Резисторы R1 С2-23-0.125-6.2кОм 5% 1 R2 С2-23-0.125-18КОм 5% 1 R3 СП3-10М-0.25-2.4МОм 10% 1 Подбирается при настройке R4 С2-23-0.125-5.1кОм 5% 1 Конденсаторы C1 К53-4А-0.22мкФ 10% 1 C2 К53-4А-0.1мкФ 10% 1 Транзисторы VT1 МП111А 1 VT2 МП111А 1 Поз. обоз. Наименование Кол Примечание Резисторы R1 С2-24-0.25-2.4кОм 1% 1 R2 С2-22-0.125-430Ом 1% 1 R3 С2-27-1.0-60Ом 0.5% 1 R4 С2-27-0.5-75Ом 0.5% 1 R5 С2-24-0.5-51Ом 5% 1 Конденсаторы C1 К50-6-100В-2200мкФ 10% 1 C2 К73-11-15мкФ 5% 1 C3 К50-6-50В-1.2мкФ 10% 1 C4 К53-4А-0.33мкФ 10% 1 VT1 транзистор МП25А 1 Поз. обоз. Наименование Кол Примечание Резисторы R1 С2-23-0.125-4.3кОм 1% 1 R2 С2-23-0.125-56кОм 1% 1 R3 СП3-10М-0.25-10кОм 10% 1 Подбирается при настройке R4 С2-23-0.125-5.6кОм 1% 1 R5 С2-23-0.125-620кОм 1% 1 Конденсаторы C1 К10-17-0.02мкФ 5% 1 C2 К53-1-3.9мкФ 10% 1 Диоды VD1 КД522Б 1 VD2 КД522Б 1 DA микросхема 140УД6 1 Список литературы 1. Красько А.С. Проектирование аналоговых электронных устройств - Томск: ТУСУР, 2000. - 29с. 2. Мамонкин И.Г. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов - М.: Связь, 1977. - 360с. 3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник / А.А. Зайцев, А.И. Миркин; Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1989. - 640с. 4. Титов А.А. Расчет элементов высокочастотной коррекции усилительных каскадов на биполярных транзисторах: Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию для студентов радиотехнических специальностей. - Томск: Томск. ТУСУР, 2002. - 47с. 5. Цыкин Г.С. Усилительные устройства. - М.: Связь, 1971. - 367с. 6. Методические указания к самостоятельным занятиям по курсу электроники / В.В. Харламов, Р.В. Сергеев, П.К. Шкодун; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. 44с. 7. Общая электротехника / Под ред. А.Т. Блажкина. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 592 с. 8. Электротехника / Под ред. В.Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1985. 480с. 9. Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1986. 336 с.