Усилитель вертикального отклонения осциллографа
Министерство общего и профессионального образования РФ
Уральский
государственный технический университет
Кафедра ФМПК
РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Пояснительная записка
19.02 520000 012 ПЗ
Студент: Лебедев
В.В.
Руководитель: Стрекаловская
З.Г.
Н. Контролёр Замараева
И.В.
Группа: ФТ-429
Екатеринбург
1998 г.
Содержание
Стр.
1. Введение 3
2. Техническое
задание 3
3. Справочные
данные на элементы 4
4. Структурная
схема усилителя 5
5. Расчёт
входного делителя 6
6. Расчёт
предусилителя 7
7. Расчёт
фазоинвертора 9
8. Расчёт
оконечного каскада 11
9. Расчёт
граничных частот 15
10.
Заключение 16
11.
Библиографический список 17
12.
Приложения 18
Введение.
Согласно техническому заданию,
требуется спроектировать и рассчитать широкополосный электронный усилитель,
работающий на симметричную нагрузку, обеспечивающий на выходе усиленный входной
сигнал с допустимыми искажениями
Техническое задание.
Входной
сигнал:
Экспоненциальный
импульс отрицательной полярности.
Uвх=(10¸500)мВ
tи=5мкс
Выходной сигнал:
Uвых=250В
Нагрузка:
Rн=250кОм
Входное сопротивление:
Rн>100кОм
Элементная
база:
Использовать ИМС.
Диапазон
температур:
T=(20±20)0C
Справочные данные на элементы.
Микросхемы
Микросхема 140УD5А
UUпит=±12В
КуU=1500¸125000
Rвх=100кОм
Rвых<1кОм
f1=15мГц
Uвых<±4В
Микросхема 140УD10
UUпит=±(5¸16)В
КуU=50
Rвх=1мОм
Rвых<1кОм
f1=15мГц
Транзистор 2Т888А
UКЭмах=900В
a=0.976
b=40
fв=15мГц
Uвых<±10В
IКб0<10мкА
IКмах=100мА
PКмах=7Вт (с
теплоотводом)
Ск=45пФ
Тип p-n-p
Структурная схема усилителя
Исходя из технического
задания, была выбрана структурная схема усилителя рис.1
Структурная схема усилителя
Uвх
Входной Предусилитель
Делитель
Фазоинвертор
Оконечный
каскад
Входной делитель даёт
возможность делить входной сигнал в соотношениях 1:1, 1:10, 1:50.
Предусилитель
обеспечивает большой коэффициент усиления при минимальных искажениях.
Фазоинвертор
обеспечивает на выходе одинаковые по модулю и разные по фазе напряжения.
Оконечный каскад
обеспечивает усиление мощности сигнала для эффективного управления нагрузкой.
Так как он вносит в сигнал максимальные искажения, то его коэффициент усиления
этого каскада выбирают небольшим.
Входной делитель
С1
R1
C2 R2
C3 R3
Рис №2
Зададимся
R1=100кОм
С1=220пФ
K1= 0.1 ( коэффициент деления 1:10)
K2=0.02 ( коэффициент деления 1:50)
C1R1= C2R2= C3R3
R2=R1*K1/(1-K1)
R3=R1*K2/(1-K2)
R2=11кОм
R3=2кОм
Рассчитаем СI
Пусть С1=220пФ
Тогда С2=С1*R1/R2=2нФ
С3=С1*R1/R3=10.8
нФ
Номинальные значения:
R2=11кОм С2=2
нФ
R3=2кОм С3=11
нФ
Предварительный усилитель
C1 DA1 C2 DA2
C3 DA3
+ + +
- - -
R2
R4 R6 R7
R1
R3 R4
Рис. 3
Первый и второй каскад (DA1,DA2)
предусилителя идентичны и построены на ОУ 140УД5А
Расчёт ведем для одного каскада.
Коэффициент усиления ОУ определяется по формуле:
Возьмём коэффициент усиления DA1
и DA2 K01*=16
Возьмем R1=10 кОм
Тогда: R2=R1(K0-1)=
150кОм
Верхняя граничная частота при K0=16,
fВ=5МГц (справ. данные)
Нижняя граничная частота при C1=1мкФ
Возьмём С4=С5=1 мкФ R7=100кОм R6=33кОм
Третий каскад (DA3) предусилителя
построен на ОУ 140УД10
В последним третьем каскаде
введена регулировка коэффициента усиления всего усилителя. Зададимся условием
чтобы его минимальный коэффициент усиления был равен: К0=3 он
зависит от величен сопротивлений R5 и R6
При R
5=10кОм и R
6=20кОм коэффициент усиления составит K
0min=3
Пусть максимальный коэффициент усиления составит K
0мах=4
Следовательно R7=R5(K0min-1)-R6=10кОм
Верхняя граничная частота при K0=4,
fВ=5МГц (справ. данные)
Нижняя граничная частота при C3=1мкФ
Параметры всего ПУ
Коэффициент усиления всего ПУ: K0=K01K02K03
K0max=K01K02K03=1024
K0min=K01K02K03=768
Верхняя граничная частота:
FВПУ=2.9 МГц
Нижняя граничная частота
fн= f1+f2+f3=5Гц
Расчёт фазоинвертора:
С2 DA1
+
-
Вх
C1 R1
DA2
-
+
Рис.
4
Фазоинвертор построен на 2x- ОУ
140УД10
DA1- включен как повторитель
DA2 - включен как инвертор
Коэффициент усиления повторителя
К01=1
Коэффициент усиления инвертора К02»1 когда R2<<R1
Пусть R1=10кОм и R2=1кОм
Þ K02»1
Для обеспечения симметричного
выхода сделаем R2 – переменным сопротивлением
Верхняя граничная частота для
140УD10 – равна 15МГц
Нижняя граничная частота равна:
Необходимо чтобы F
Н1=F
Н2 (нижние граничные частоты обоих
плеч были одинаковые )
Вожмём С1=1мкФ тогда:
Т.К. RВХповт=RВхоу=1
МОм=100R1,
то чтобы FН1= FН2
следует взять С2=0,01C1=0.01 мкФ
Расчёт оконечного каскада
R1
Rк
Cc2 Cc4
Cc1 Cc3
VT1 VT2
R2
Rэ
CЭ Rэоб
Рис.
5
Принципиальная схема оконечного
каскада изображена на рис.3
Поскольку у нас симметричная
нагрузка то будем вести расчёт на одно плечо.
Уравнение линией нагрузки будет выглядеть следующим образом:
IКмах=40мА
Динамическая
линия нагрузки транзистора
I мА
40
Р.Т.
20
0
100 350 700 UкэВ
Рис.
4
Возьмем RЭ=4кОм и RК=13.5кОМ
Рабочая точка: IК0=20мА
UКЭ0=350В
Найдем рассеиваемую мощность
PRк=5.4Вт и PRэ=I2Э0*RЭ=1.7Вт
Произведём расчёт базового
делителя:
Пусть Iдел=5мА
UЭ0= IЭ0*RЭ=20мА*4кОм=82В
- напряжение на эмиттере
UБ0= UЭ0*UБЭ=82.5В
- напряжение на базе
R2= UБ0/Iдел=16400»16 кОм
R1=112272 Ом»110 кОм
RБ»14кОм
Найдём коэффициент
термонестабильности NS=1+RБ/RЭ=4,6
Определим крутизну
S=IК0/м*jт=256мА/В
Рассчитаем gэкв
gК=1/RК=1/13.5=7.4*10-5
Cм
gн=1/Rн=4*10-6
Cм
gi=h22=(1+b)IКбо/UКэо=1.177*10-6
Cм
gэкв=gi+gн+gк=7.93*10-5
Cм
Рассчитаем коэффициент усиления
KO=S/gэкв=3228
Введём О.О.С. разделив
сопротивление RЭ
Пусть K0*=30
тогда K0*= K0/1+g*K0
g=RЭ/RК=0.033 RЭ
- сопротивление О.О.С.
RЭ=g* RК=445Ом Þ
RЭ1=RЭ-RЭ»4кОм-430Ом»3,6кОм
F=1+g*K0=107.5
– глубина обратной связи
G11= IК0/м*jт*b=6.4*10-3
jт –
тепловой потенциал
rвх =1/g11=156
Ом
rэ=jт/IЭо=1.27Ом
сопротивление базы транзистора
rБ=rвх-brЭ=105Ом
Расчёт по переменному току:
Найдём нижнюю частоту
Расчёт граничных частот
Рассчитаем верхнюю частоту всего усилителя по формуле:
Обеспечим при этом длительность
фронта равной:
tФ=0.35/fВ=0.34 мкс
что для tИ=5мкс составляет менее 7%
Рассчитаем нижнюю частоту всего
усилителя по формуле
fн= fнпр+fнфаз+fнокон=5+16+260=281Гц
Для предварительного усилителя
tнпр=С4*Rвх=0.1с
fнпр= 1/(2p*tнпр)=1.6
Гц
Для фазоинвертора
tнфи=С7*R10=0.01с
fнфи= 1/(2p*tнфи)=16
Гц
Для предоконечного каскада
tнпре=С8*Rвх=1с
fнпре= 1/(2p*tнпре)=0.2
Гц
Для оконечного каскада
fнокон=260
Гц
RЭоб=0.5RЭ1=1780Ом
Расчет транзисторов на мощность
Обозначение
|
Рассеиваемая мощность
|
Примечания
|
R1
|
0.0625 мкВт
|
|
R2
|
0.625 мкВт
|
|
R3
|
2,5 мкВт
|
|
R4
|
17мкВт
|
|
R5
|
5мкВт
|
|
R6
|
0.272мВт
|
|
R7
|
80мкВт
|
|
R8
|
0.435мВт
|
|
R9
|
1.7мВт
|
|
R10
|
10мВт
|
|
R11
|
0,14Вт
|
|
R12
|
0.18Вт
|
|
R13,R20
|
0.91Вт
|
|
R14,R21
|
0.4Вт
|
|
R15,R19
|
5.4Вт
|
Необходим радиатор
|
R16,R18
|
1.7Вт
|
|
R17
|
1Вт
|
|
Заключение
В ходе данной
работы был спроектирован электронный усилитель, позволяющий усиливать
переменное напряжение. Параметры данного усилителя соответствуют техническим
требованиям.
Библиографический список.
1.
Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник.
Под.ред. А.В.Голомедова. Москва,; Радио и связь, 1994
2. Интергральные
микросхемы. Операционные усилители. Справочник. Москва,; ВО “Наука”,1993.