Основы схемотехники

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ  ВПО «Марийский государственный  технический университет»

 

 

Кафедра Радиотехники и  связи

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

ПО  ДИСЦИПЛИНЕ

 «ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ»

 

 

 

 

Выполнил: студент группы

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Области использования  импульсных усилителей весьма многочисленны. Особенно широко импульсные усилители  применяются в радиотехнических устройствах, в системах автоматики и вычислительной техники. Многообразие назначений усилителей порождает различия в требованиях, которым должен отвечать усилитель в том или в другом случае. В связи с этим усилители могут различаться между собой как по числу усилительных элементов(ламп или транзисторов) и особенностям электрической схемы, так и по конструкции.

Проектирование многокаскадного  усилителя характеризуется в  первую очередь тем, что решение  не является однозначным. В связи  с этим возникает задача выбора оптимального варианта. Решая вопрос о том, какому варианту следует отдать предпочтение, необходимо, выполняя электрический расчёт, принимать во внимание также и дополнительные соображения, которые связаны главным образом с условиями производства усилителя и условиями его эксплуатации.

Общей задачей проектирования является отыскание наиболее простого, экономичного решения. Сложность проектирования как раз и заключается в  том, чтобы найти это относительно простое решение.

При проектировании усилителя задачу выбора схемы и параметров отдельных каскадов следует рассматривать как частную, подчинив её общей задаче – выполнению технических требований, предъявляемых к усилителю в целом. Поэтому рационально, исходя из общих технических требований, формулировать частные технические условия к отдельным каскадам усилителя и вести их расчёт на основании этих частных условий, которые должны находиться в определённой связи друг с другом.

Расчёт и проектирование транзисторных  усилителей имеют ряд особенностей по сравнению с расчётом и проектированием ламповых усилителей. В частности, в схемах на полупроводниковых триодах обязательно должна предусматриваться температурная стабилизация режима их работы.

Решение о выборе в  качестве усилительного элемента транзистора следует принимать с учётом как требований, предъявляемых к электрическим показателям усилителя, так и требований, вытекающих из условий эксплуатации (надёжность, вес, габариты, устойчивость к динамическим нагрузкам и др.) 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание

 

Произвести расчёт импульсного  усилителя со следующими характеристиками:

параметры усиливаемых импульсов  на выходе усилителя:

• амплитуда U_ВХ=10 мВ, длительность = 50 мкс, амплитуда импульса на выходе усилителя U_ВЫХ=7 В;
• полярность выходных импульсов – положительная;
• Входное сопротивление усилителя 500 Ом
• сопротивление нагрузки R_Н=1.5 кОм;
• ёмкость нагрузки С_Н=9 пФ;
• допустимые искажения: время установления фронта импульса

     =50 нс, допустимый выброс вершины =1.2%,

допустимый спад =2.5%;

         -    изменение температуры окружающей среды t= 10-40С

 

2. Подобрать аналог в интегральном  исполнении.

3. Произвести расчёт  активных фильтров (нижних частот, верхних частот, полоснопропускающего, режекторного) со следующими  характеристиками:

Для ФНЧ и ФВЧ

- характеристика Чебышева;

- коэффициент затухания χ=1,059 дБ;

- порядок фильтра n=2;

- неравномерность d=1 дБ;

- частота среза f_с=1.0 МГц;

- коэффициент усиления К=20;

Для ППФ

- нижняя частота f_н =3.0 МГц;

- верхняя частота f_в =4.0 МГц;

- коэффициент усиления К=10.

 

1. Расчет усилителя импульсной частоты

          1.1Нахождение  коэффициента усиления УИЧ

                                                                        (1)

Таким образом, для реализации УИЧ по заданным параметрам необходимо, чтобы . В данном случае возьмем коэффициент усиления равным 676, это необходимо для простоты расчета обоих каскадов.

 

1. Выбор и обоснование транзистора

      Транзистор для выходного каскада выберем исходя из заданной амплитуды импульса напряжения на нагрузке усилителя (U_вх=10 мВ) и время установления фронта импульса в усилителе ( =50 нс), а также выбор транзистора производится по граничной частоте усиления по току в схеме с общим эмиттором и выходной мощности транзистора Р_ВЫХ.

  Выберем транзистор КТ312А. Это Кремниевый эпитаксиально-планарный, универсальный транзистор n-p-n. Предназначен для работы в переключателях, генераторах, радиовещательных приемниках и приемно-усилительной аппаратуре широкого применения. Он нам подходит, исходя из следующих соотношений:               

E_n=20В,  (для второго каскада) и в дальнейшем рассчитаем R_н1 (для первого каскада). Для определения положения рабочей точки на ВАХ транзистора определим ток коллектора I_K:

                                     _{Ik=Eп/Rн =0.0133 А                                                   (2)}

На ВАХ транзистора проведём прямую через точки Е_П и I_K и выберем рабочую точку А (см. прилож. 1). Данной точке А соответствуют значения токов и напряжений на транзисторе

I_б0=0.1 мА

U_бэ=0.6 В

U_kэ=8.3 В

I_к0=8 мА

 

 

 

Параметры:

напряжение насыщения  коллектор –эмиттер Uкэнас	0,8 В
напряжение насыщения  коллектор –эмиттер Uкэmax	6В
входное сопротивление  транзистора h11э)	400 Ом
статический коэффициент  передачи тока h21э	30
постоянный ток коллектора Ikmax	20 мА
постоянное напряжение э-б Uэбmax	0 В
постоянное напряжение к-б Uкбmax обратный ток эмиттера обратный ток коллектора	10 В 5 мкА 5 мкА

2. Расчет схемы усилителя импульсной частоты

1.3.1 Расчет 2-го  усилительного каскада

Схема УИЧ представлена в приложении . Мы выбираем схему с общим эмиттером, потому что она обеспечивает усиление входного сигнала по току, напряжению и мощности, используется в усилителях, генераторах, формирователях и является самой распространённой .Исходные данные приведены в задании, а также по ВАХ выбранного транзистора находим:

Рассчитаем 2-ой усилительный каскад. Транзистор выбран.

Обозначим  .

                                          ₍₆₎

 

 

Номиналы резисторов R7 и R8 соответственно равны 5100 Ом и 240 Ом.

Величина тока делителя I_ДЕЛ выбирается таким образом, чтобы минимизировать влияние изменений входного тока (тока базы) в рабочем режиме на величину напряжения смещения U_бэ0. Этого можно добиться при условии, что I_ДЕЛ>>I_б0. Однако, чрезмерное увеличение тока делителя приводит к уменьшению сопротивлений резисторов R1,R5 и R2,R6 и снижению полного входного сопротивления усилительного каскада. Поэтому в маломощных каскадах обычно соблюдают условие:

.

 

 В нашем случае I_ДЕЛ=10*5*10^-6 А=50мкА.

Тогда сопротивления R5 и R6 могут быть рассчитаны по формулам:

                                                     (7)                   

 

Номиналы резисторов R5 и R6 соответственно равны 91 кОм и 10 кОм.

Оценим термостабильность 2-го каскада:

, где  , , тогда                (8)

Т.е. коэффициент термостойкости каскада удовлетворяет неравенству 2<g<8, что говорит о хорошей термостабильности.

 

 

 

1.3.2 Расчет 1-го  усилительного  каскада

 

Рассчитаем 1-ый усилительный каскад. Транзистор выбран.

Если учесть, что для  второго каскада сопротивлением нагрузки является параллельное соединение R5 и R6,+входное сопротивление найдём R_H:

 

 

 

 

 

 

 

Для первого каскада можно использовать ту же рабочую точку что и для расчета второго усилительного каскада. Все расчеты будут  анологичны расчетам проведенным в п. 1.3.1.

 

; ; ; ₍₁₀₎

                     R₄=R₈=250 Ом

R₃=R₇=5000 Ом

R₂=R₆=10 кОм

R₁=R₅=91 кОм

Номиналы резисторов R₁, R₂, R₃, R₄ соответственно равны 91кОм, 10 кОм, 

5.1 кОм, 240 Ом.

1.4 Обзор резисторов  усилителя

 

В соответствии со стандартным рядом Е24 выбираем значения сопротивлений, а так же процент погрешности:

, кОм	,кОм	, кОм	, Ом	,кОм	,кОм	, кОм	, Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5 Определение значений разделительных и термостабилизирующих конденсаторов усилителя

Для нормальной работы усилителя  необходимо введение разделительных и  термостабилизирующих конденсаторов. Разделительные ёмкости для определения рабочей точки на ВАХ транзистора, а термостабилизирующие ёмкости вместе с параллельной связкой с резистором стабилизирует напряжение и ток при изменении температуры окружающей среды.

Определим значения разделительных емкостей С_Р1 и С_Р2 (см. рис. 2.):

Рис. 2. Общая схема усилителя  на двух каскадах

, где  =0.707                     (11)

C_р2=96 пФ

С_р1=96 пФ  

 С₄=96 пФ               

Определим значения термостабилизирующих емкостей:

Где R_f=R₇ для схемы с ОЭ для С_э2, и R_f=R₃ для C_э1.

, где               (12)

           С_э1=0.014*10^-3  Ф             

        С_э2=0.014*10^-3 Ф

     Номиналы конденсаторов  С_Р1, С_Р2, С_Э1  и С_Э2 соответственно равны 96 пФ, 96 пФ, 15 мкФ и 15 мкФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.6 Проверка  введения целесообразности L-коррекции

 

Учитывая, что  , влиянием параметра g₂₂ пренебрегаем, при этом R₀=R_K=5 кОм R_б=5 Ом С_к=30 пФ   τ=5*10^-9

Определяем постоянные времени:

τ_i=(1+g₂₁×r_б)×С_КR₀=(1+3,528×5)×30×10^-12×5000»2,7 мксек                               (13)

τ_н=С_н×R₀=30×10^-12×5000»0,15 мксек                                                               (14)

Находим эквивалентную  постоянную времени:

τ_э= τ_i+τ_н+τ=2,7+0,15+0.005=2,85 мксек                        (15)

Рассчитываем время  установления:

В выходной каскад необходимо ввести коррекцию.

Учитывая, что низкочастотным параметром g₂₂ можно пренебречь (при этом R₀=R), выражение безразмерных эквивалентных постоянных времени τ_э^’’ и τ_э^’’’ упрощаются и принимают вид:

                                                                                       (16)                                                            (17)

Определяем отношение  постоянной времени  и ,          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Имея в виду, что  , решаем уравнение относительно , подставляя в него приведенные выше упрощенные выражения и . Решение уравнения представиться в виде:

 

                                        (18)

Определяем  безразмерную эквивалентную постоянную времени  и коэффициент :

  ,   

тогда

По графику определяем обобщенное время установления (У»2,4) и рассчитываем  время установления τ_{уст вых}:

τ_{уст вых}= У×τ_э^”’ τ =2,4×5,81×5×10^–9 =69 нсек                               (19)

Определяем индуктивность корректирующей катушки

                              (20)

 

 

 

 

 

 

2. Соответствующий аналог в интегральном исполнении

2.1. Схема аналога

 

Соответствующий аналог основан на микросхеме К175УД1, принципиальная схема которого приведена в на рисунке 3:

Рис 5.

2.2 Описание аналога

 

Это двухканальный ОУ универсального назначения средней  мощности, с максимальным выходным током 500мА, разработанный для аппаратуры магнитной записи и воспроизведения звука. В данном усилителе мощности предусмотрена защита от короткого замыкания на выходе, как при положительной, так и при отрицательной полярности выходного сигнала ЦМС можно использовать в самых разнообразных устройствах низкочастотной стереофонической аппаратуры

 

Приведем основные параметры  микросхемы

 

ток потребления  ,мА	не более 7
коэффициент усиления по напряжению Ку при  200 Ом на f=30кГц	200
max выходное напряжение не менее	В
входной ток не более	500мА
температура дрейф.	не более  мкВ/С
напряжение питания  при
рассеиваемая мощность, Вт при	не более 0.5 при

 

 

 

3. Расчет фильтров.

 

1. Фильтр нижних частот

 

ФНЧ с равными компонентами R₁=R₂, C₁=C₂. Характеристика Чебышева.

 

- коэффициент затухания  α=1,059 Дб;

- порядок фильтра n=2;

- неравномерность ε=1Дб;

- частота среза fср=1 МГц;

Для ПФ

- нижняя частота F1=3,0МГц;

- верхняя частота F2=4,0 МГц

- коэффициент усиления  К=10.

 

_{Для заданной характеристики}

_{Выберем величину С с учетом использования операционного  усилителя µА791: С=0,3 нФ = С1 = С2. Найдем R=R1=R2:}

, следовательно

_{Используем  номинал 110 Ом.}

Положим Rа=10кОм и найдем Rв:

R_B=(2- )R_A=(2-1,059)10⁴=9410 Ом

Используем номинал 9410 Ом.

Коэффициент усиления в  полосе пропускания найдем по:

 K= +1= +1=1,941

Схема фильтра нижних частот представлена в приложении

 

 

 

 

2. Фильтр верхних частот

Фильтр имеет те же параметры и те же характеристики что и ФНЧ.

_{Выберем величину С с учетом использования операционного усилителя µА791: С=0,2 нФ = С1 = С2. Найдем R=R1=R2:}

, следовательно 

_{Используем  номинал 160 Ом.}

Положим Rа=10кОм и найдем Rв:

R_B=(2- )R_A=(2-1,059)10⁴=9410 Ом

Используем номинал 9410 Ом.

Коэффициент усиления в  полосе пропускания найдем по:

 K= +1= +1=1,941

Схема фильтра верхних  частот представлена в приложении

3. Полосовой фильтр

Для расчёта компонентов  полосового фильтра рассмотрим ПФ с  параллельной обратной связью.

Найдем fo:   f₀= =0,14 Гц                                      

                                   Q=f₀/(f₂-f₁)= 0,14 /(0,2 - 0,1   ) = 1,4

_{Выберем величину С с учетом использования операционного  усилителя µА791: С=0,1 нФ = С1 = С2 и рассчитаем R1, R2, R3}  

R₁= =                          

R₂= = =

     R₃=

Используем номиналы R1= 1800 Ом, R2= 1500 Ом, R3= 32000 Ом

Коэффициент усиления в  полосе пропускания:

                                                  К= =

Полученное значение K совпадает с заданным.

Схема полосового фильтра представлена в приложении

Заключение

В ходе выполнения работы мы приобрели навыки расчёта импульсных усилителей, используя материал, изученный  на лекциях.

Рассчитанный усилитель  отвечает всем поставленным параметрам: коэффициент усиления k= 700, время установления =50 нс . Спад плоской вершины импульса может быть уменьшен введением фильтрующей ячейки в цепь коллектора входного каскада. Так как коэффициент усиления равен 700, то мы использовали 2 каскада. Коэффициент усиления спроектированного двухкаскадного усилителя может быть увеличен или время установления фронта импульса соответственно снижению, если в предварительный каскад ввести коррекцию. В качестве транзисторов использовали транзисторы типа КТ312А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Атаев Д.И., Болотнико В.А.,Аналоговые и интегральные микросхемы для бытовой радиоапаратуры-М.:Радио и связь,.
2. Варшавер Б.А., Расчёт импульсных усилителей.-М.: Высшая школа, 1967.
3. Резисторы и конденсаторы: Справочник / И.И. Четвертков, М.Н. Дьяконов, В.И. Трисляков и др.: Под редакцией И.И. Четверткова - М.: Радио и связь,
4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/[К.М. Брежнева, Е.И.Гантман , Т.И. Давыдова и др.]; под редакцией Б.Л. Перельмана.-М.: Радио и связь,
5. Резисторы: Справочник / Ю.Н. Андреев, А.И. Антонян, Д.И. Иванов и др.; под редакцией И.И. Четверткова.-М.: Энергоиздательсво.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложения

 

 

 

 

 

 

 

                                                             Рис 6

Вольт-амперные характеристики транзистора КТ312А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зона

Поз. обозн.

Наименование

Кол.

Примечание

Конденсаторы  ОЖО.460.107ТУ

С1,С2,С5

К53-14-96пФ 20%

3

С3,С4

К53-14-15мкФ 20%

2

Резисторы ГОСТ 10318-74

R1

МЛТ-0,25-250Ом 10%

1

R2

МЛТ-0,25-10кОм 10%

1

R3

МЛТ-0,25-5,1кОм 10%

1

R4

МЛТ-0,25-250Ом 10%

1

R5

МЛТ-0,25-91кОм 10%

1

R6

МЛТ-0,25-10кОм 10%

1

R7

МЛТ-0,25-5,1кОм 10%

1

R8

МЛТ-0,25-250Ом 10%

1

Транзисторы

VT1

КТ312А

1

VT2

КТ312А

1

Катушки индуктивности

L1

Индуктивность 8 мкГн 5%

1

КНФУ. 657310.014 ПЭ3

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Разраб.

Тимофеев  Е.В.

Усилитель импульсной частоты Перечень  элементов

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Бастракова.

21

23

МарГТУ  ТКБ-31

Н. контр.

Утв.

 

 

 

                                     

 

Схема ФНЧ

 

                                    

                                       

Схема ФВЧ

 

 

Схема ПФ

 

 

 

 

 

 

 

 

Зона

Поз. обозн.

Наименование

Кол.

Примечание

Операционные  усилители

μА791

3

Конденсаторы  ОЖО.460.107ТУ

С1

К53-16-0,3нФ 20%

1

С2

К53-16-0,3нФ 20%

1

С3

К53-16-0,3нФ 20%

1

С4

К53-16-0,3нФ 20%

1

С5

К53-16-0,3нФ 20%

1

С6

К53-16-0,3нФ 20%

1

Резисторы ГОСТ 10318-74

R1

МЛТ-0,25-110Ом 10%

1

R2

МЛТ-0,25-110Ом 10%

1

R3

МЛТ-0,25-10кОм 10%

1

R4

МЛТ-0,25-5,6к0Ом 10%

1

R5

МЛТ-0,25-160Ом 10%

1

R6

МЛТ-0,25-160Ом 10%

1

R7

МЛТ-0,25-10кОм 10%

1

R8

МЛТ-0,25-5,6кОм 10%

1

R9

МЛТ-0,25-1,8кОм 10%

1

R10

МЛТ-0,25-1,5кОм 10%

1

R11

МЛТ-0,25-32кОм 10%

1

КНФУ. 657310.014 ПЭ3

Изм.

Лист

№ документа

Подпись

Дата

Разраб.

Тимофеев  Е.В.

Фильтры Перечень  элементов Приложение 2

Лит.

Лист

Листов

Пров.

Бастракова.

23

23

МарГТУ  ТКБ-31

Н. контр.

Утв.