Расчет входного (первого) каскада.
Методические указания по выполнению курсовой работы.
Расчет усилительных каскадов на операционных усилителях.
Использование операционных усилителей ОУ позволяет проектировать различные электронные схемы: усилители , генераторы, фильтры, сумматоры, интеграторы, компараторы и другие электронные устройства. В работе рассматриваются вопросы расчета усилительных устройств на микросхемах ОУ. В корпусе микросхемы может размещаться от 1 до 4 однотипных ОУ.
Параметры каскадов на ОУ зависят от назначения устройств в которых они используются. В морской технике применяются: предварительные , согласующие, широкополосные, избирательные, полосовые , мощности, низкочастотные , высокочастотные, измерительные, с малым потреблением, с малым уровнем собственных шумов и другие усилители. Разные по названию усилители могут иметь одинаковую структуру и параметры, а название показывает основное назначение усилителя. Например предварительный усиливает сигнал с удаленного датчика (генератора) до необходимого уровня для передачи по каналу связи (проводному , радио, гидроакустическому и др.), причем сигнал не должен изменяться по структуре при усилении и трансляции по каналу связи.
Содержание курсового проекта (работы).
Пояснительная записка к курсовой работе содержит следующие разделы:
1. Титульный лист.
2. Содержание.
3. Задание.
4. Введение.
|
|
|
5. Расчет усилителя.
6. Заключение.
7. Спецификация, перечень деталей.
8. Плакат со схемой усилителя.
Пояснительная записка оформляется на листах формата А4 на компьютере или в рукописном виде, с соблюдением правил оформления технической документации, схем и графиков. Раздел « Расчет усилителя» состоит из нескольких подразделов, рассмотрим их содержание на примере.
5.1.Выбор элементной базы и количества каскадов.
В таблице приведены основные параметры нескольких типов ОУ, необходимых для расчетов. В справочнике можно найти еще сотни отечественных и зарубежных типов ОУ.
| Параметр | f1 МГц | КУU 103 | RBX Мом | UHМАК В | RHМИН кОм | UСМ мВ | IП мА | RВЫХ Ом | U П В |
| Марка ОУ | |||||||||
| К544УД2 | 10 | 50 | 100 | ± 12 | 2 | ± 30 | 7 | 200 | ±15 |
| К140УД6 | 1 | 20 | 1 | ± 11 | 1 | ± 10 | 5 | 150 | ±15 |
| К157УД1 | 0,5 | 15 | 1 | ± 12 | 0,2 | ± 5 | 10 | 20 | ±15 |
| К574УД3 | 10 | 20 | 100 | ±12 | 2 | ± 5 | 5 | 200 | ±15 |
Усилитель обычно состоит из нескольких каскадов, которые должны иметь разные параметры и соответственно разные типы ОУ.
В ОУ имеется два входа инвертирующий (обозначается кружочком или знаком (-)) и не инвертирующий. Существуют 3 основных схемы включения ОУ в усилительном каскаде (см. лекции). Мы будем использовать две : инвертирующее и не инвертирующее включение ОУ. В первой выходной сигнал сдвинут относительно входного сигнала на 180°(инвертирован), во втором сигналы совпадают по фазе. Правда это относится к низким частотам, на высоких появляются фазовые искажения за счет частотных свойств ОУ. Нужный коэффициент усиления каскада на ОУ задается введением отрицательной обратной связи (ООС) с помощью делителя с выхода на инвертирующий вход.
|
|
|
Максимальный коэффициент усиления каскада на верхней граничной частоте fВ Кf=f1/fВ.
Коэффициент усиления усилителя КУ=UH/UГ. Этот коэффициент является произведением коэффициентов усиления каскадов , входящих в усилитель. При этом подразумевается что каскады согласованы по напряжению.
Точный расчет возможен при наличии всех данных, формулы для расчета становятся громоздкими и трудно вычисляемые. Кроме того элементы выпускаются с большими допусками, мы будем использовать элементы с допуском ±10 % , это приводит к необходимости производить настройку радиоаппаратуры. Номинальные значения резисторов и конденсаторов могут принимать следующие значения: 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1. Эти значения умножаются на 10n. Рассчитанные значения округляются до номинальных. Поэтому нет необходимости производить расчеты с большой точностью, достаточно 2-3х значащих цифр (напоминаю 0 слева не значащая цифра).
|
|
|
Выберем вариант для расчета
| UН В | RН Ом | UГ мВ | RГ кОм | fН Гц | fВ кГц | MН | MВ |
| 3 | 250 | 0,8 | 300 | 30 | 40 | 1,3 | 1,2 |
Выбор марки ОУ имеет много вариантов при различных исходных данных, выбираем один ОУ на все каскады усилителя – К544УД2.
Для этой микросхемы можно определить: максимальный коэффициент усиления на верхней граничной частоте:
Kf=f1/fВ= 104/40=250;
Находим коэффициент усиления проектируемого усилителя
КУ=UH/UГ= 3/0,8*10-3=3750;
Определим количество каскадов - m в усилителе для получения заданного коэффициента усиления
КК СР=(КУ)1/m < Kf , знак < означает разницу в 3 -7 раз.
КК СР=16 при m =3, КК СР=61 при m=2.
Выбираем m=3 (перестрахуемся), от выбора зависят частотные искажения на верхних частотах вносимые ОУ, дальше мы будем их считать и например если выбрать m=2 и они окажутся большими придется пересчитывать для m=3.
Распределим усиление по каскадам КУ=КК1*КК2*КК3=30*16*8=3840.
Расчет усилителя начнем с оконечного (3) каскада, чтобы учесть согласование между каскадами, генератором и нагрузкой.
|
|
|
Первый каскад выбираем по не инвертирующей схеме включения, для получения высокого входного сопротивления усилителя.
Второй каскад выбираем тоже по не инвертирующей схеме включения.
В третьем каскаде используем инвертирующую схему для уменьшения пульсаций, которые создаются на источнике питания при протекании токов сигнала.
Мощность на выходе РН=U2/RH=9/250=0,036 Вт.
Мощность маленькая, поэтому согласование усилителя и нагрузки возможно по напряжению.
Расчет оконечного каскада.
Принципиальная электрическая схема 3 каскада приведена на рис.1.
 |
Рис.1. Схема оконечного каскада
В каскаде пришлось использовать эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах V1 и V2 ( КТ315 В и КТ361Д) для согласования выхода ОУ и нагрузки. «Комплементарными называются транзисторы имеющие одинаковые параметры, но разный вид проводимости.»
Таблица параметров транзисторов КТ315В и КТ361Д.
| Параметр | h21э | UK max | fh21 | IK max |
| Размерность | В | МГц | мА | |
| Величина | 30--100 | 30 | 100 | 100 |
Минимальное справочное сопротивление нагрузки выбранного ОУ RHmin=2 кОм, а нагрузка RH=250 Ом.
Входное сопротивление ЭП
Rвх ЭП=h21э*RH=30*250=7,5> 2 кОм. Формула упрощенная. Выбираем h21Э =30 минимальное значение, это наихудший вариант.
Определим значения резисторов и основные параметры каскада.
R1определяет входное сопротивление каскада и является нагрузкой предыдущего 2 каскада, поэтому R1> RHmin=2 кОм. Выбираем R1=10 кОм
Отношение (-R2/R1)=КК3 определяет коэффициент усиления третьего каскада. Знак (-) показывает инверсию выходного сигнала относительно входного. Зададимся КК3= 8. Чем меньше КК3, тем больше отрицательная обратная связь (ООС), которая улучшает параметры каскада. В нашем случае необходимо уменьшать коэффициент гармоник КГ (коэффициент нелинейных искажений формы сигнала). Нелинейные искажения появляются за счет нелинейности начального участка вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзисторов. КГоос=КГ/(1+β3Kf); β3=R1/R2 -- коэффициент передачи цепи обратной связи 3 каскада.
Получаем (R2/R1)=КК3 = 1/β, отсюда R2= КК3*R1=80 кОм. Ближайшее стандартное значение R2= 82 кОм.
Выходное сопротивление микросхемы ОУ с ООС определяется
RвыхОУ= RвыхОУспр/(1+β3Kf)=200/(1+250/8)=5 Ом.
Выходное сопротивление усилителя, равное выходному сопротивлению эмиттерного повторителя
Rвых У=Rвых ЭП=RвыхОУ/h21э=5/30=0,16 Ом.
Входное сопротивление третьего каскада Rвх3=R1=10 кОм.
Расчет второго каскада.
Принципиальная электрическая схема 2 каскада приведена на рис.2.
 |
Рис.2. Принципиальная электрическая схема 2 каскада.
Каскад собран по не инвертирующей схеме включения ОУ, сигнал от первого каскада подается на не инвертирующий вход (3).
Коэффициент усиления каскада КК2=1+R2/R1 =16, выбран в пункте 5.1. Значения величин резисторов не имеют жестких ограничений. Резистор R2 соединен с выходом ОУ, поэтому R2>RH min=2 кОм, с верху значения резисторов ограничены R<510 кОм, сопротивление морского воздуха сравнима с этой величиной. Выбираем R1=5,1кОм ; R2=75 кОм.
Резистор R3≈Rвх2 – входное сопротивление второго каскада, чтобы согласование 1 и 2 каскадов было по напряжению, выбираем R3=10кОм > RH min=2 кОм. Выходное сопротивление 2 каскада
Rвых2=Rвых спр /(1+β2Kf)=200/(1+0.06*250)=12 Ом. β2=1/KK2.
Расчет входного (первого) каскада.
Входной каскад обеспечивает согласование генератора с усилителем поэтому для согласования их по напряжению необходимо чтобы выполнялось соотношение RГ<<Rвх УС=Rвх К1=R3‖Rвх ОУ1≈R3. Возьмем R3=7RГ=2 Мом. Rвх ОУ1=Rвх ОУ спр(1+β1 Kf)=107(1+250/32)=100 МОм. Это сопротивление на низких частотах и уменьшается с ростом частоты.
На рис.3. приведена схема входного каскада.
 |
Рис.3. Принципиальная электрическая схема входного каскада.
Коэффициент усиления первого каскада КК1=1+R2/R1=30, отсюда если задаться R1= 5,1 кОм, то R2=150 кОм. В маломощных схемах Р<0,1Вт, резисторы обычно 1—10 кОм.
Выходное сопротивление первого каскада
Rвых ОУ1 =Rвых спр /(1+ β1 Kf)=200/(1+250/32)=20 Ом.
К выходу подключен и резистор R2, но его сопротивление значительно больше 20 Ом и им можно пренебречь(параллельное включение).
При расчете каскадов мы не использовали параметры ОУ на постоянном токе (лекция 11.3) в современных микросхемах их можно не учитывать, если не надо усиливать постоянный ток. Для уменьшения влияния этих параметров в состав схемы включены переходные конденсаторы.
Составление схемы усилителя.
Рассчитав каскады, объединим их в усилитель. Соединим выход первого каскада с входом второго, а выход второго с входом третьего. При расчете каскадов мы использовали одинаковую индексацию элементов, теперь проведем общую индексацию элементов слева на право. На схеме представлены элементы которые мы рассчитаем дальше и скажем об их назначении.
Выводы усилителя: вход, общий (земля), выход, +15 В, -15 В подсоединяем к разъему использовав шину, в которую провода от выводов усилителя к разъему входят каждый под своим номером. Номер пишется в начале провода и в конце.
Дата добавления: 2022-12-03; просмотров: 38; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!