Расчёт интегрирующего (дифференцирующего) устройства

В усилителе мощности функционирующем в режиме (класс) АВ, плечи двухтактной схемы работают поочередно, каждое в течение одного полупериода входного гармонического (синусоидального) сигнала. Для упрощения расчёта такого каскада предполагается, что один усилительный элемент работает в течение всего периода сигнала. Это позволяет выполнять расчеты по семейству характеристик одного элемента, получая при этом данные, относящиеся ко всему каскаду.

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

 

2.1 Расчет дифференцирующего усилителя

 

В качестве DA1 выбираем аналоговый операционный усилитель (ОУ) типа К140УД...., исходя из заданных величин ~U_вх и ~U_вых устройства [6, 15]. Параметры ОУ: E_п.оу(U_п.оу)=±......В; I_п.оу=.....мА; U_{вых max оу}=±....В; I_{вых.max.оу}=...мА; R_вх.оу=...кΩ; K_оу=(........)10³; f_т.оу=....МГц [6, 15].

 

Производим расчет дифференциатора :

 

Выбираем С1 КЛГ .......нФ

Проверяем: U_C1>>2E_П

                                 .......В>>20      

Постоянная времени  заряда дифференциатора t_з = R₁ C₁,Ом × Ф.

Зная постоянную времени  дифференцирования t_з и задаваясь значением емкости C₁, определяем величину резистора R₁ по формуле R1 = t_з / С₁:

R₁= Ω

R₁ – ТВО-0,25

 

По справочнику выбираем тип и стандартную величину резистора R₁ из ряда E24[7, 8].

R₁=6,8кΩ

Полученное значение R₁ удовлетворяет условию:

R_min = (U_{вых max.oy} / I_{вых max.oy}) R₁ R_max = 100 кОм… 1 МОм.

Из ряда стандартнхе величин постоянных напряжений источника питания , принимаем Е_п=10В [9].

Величина резистора R₂ эквивалентна параллельному соединению элементов R₁, C₁. На минимальной рабочей частоте входного сигнала величина резистора R₁ в основном определена ёмкостным сопротивлением:

Z_c= ;

=6,3. По стандартному ряду принимаем R2=6,2.

Определяем величину модуля коэффициента усиления (передачи) по напряжению дифференциатора:

K_ду = -2pf _maxC₁ R₁=-2*3,14*30000*6800*0,51*10^-9=-0,6533 (см. рис. 1.5.).

Определяем выходное напряжение дифференцирующего усилителя на заданной рабочей частоте согласно выше полученной величины К_ду:

U_{вых ду} = U_вх К_ду=0,08*(-0,6533)=-52,7мВ

Так как напряжения на выходе дифференциатора U_{вых ду} по величине меньше заданного напряжения устройства U_ВЫХ, то в усилителе мощности необходимо поставить усилитель напряжения на ОУ DA2, при этом коэфициент устройства есть произведения К_ду на К_ум, т.е. К_ду*К_ум.

 

 

2.2 Расчет усилителя  мощности

 

2.2.1 Выбор компонентов  усилителя мощности

 

Используя значения R_н и ~U_вых, рассчитываем мощность, выделяемую на нагрузке (см. рис. 1.7):

 P_нр = U²_вых / R_н=25/2,8=8,9Вт.

 

Рассчитываем максимальный коллекторный ток I_к.max выходного транзистора (ток нагрузки I_нр):

 I_к.max =I_нр=U_вых / R_н=5/2,8=1,7857А.

 

Рассчитываем величину напряжения источника питания ± E_пр = 1,2U_вых + ∆U_кэ, где ∆U_кэ = (0,5…2)В – величина, которая соответствует нелинейному участку семейства выходных характеристик транзистора :

± E_пр=6+2=8

По стандартному ряду источников питания выбираем ± E_пр=10В.

 

Выбираем тип выходных транзисторов VT1, VT2. Для этого расчитываем мощность, рассеиваемую в их коллекторных переходах, одновременно выбирая величины расчётных коллекторных токов I_кр [5, 7, 14].

P_и = E_п I_нр=10*1,78=17,8Вт – мощность, потребляемая каскадом от источника питания.

P_кр = P_и – P_нр=17,8-8,9=8,9Вт.

 

По справочнику выбираем VT1, VT2 – КТ-801. Их характеристики:

h_21emin=13-50; U_kemax=80B; P_kmax=5Вт; I_kmax=2A; f_max=3МГц.

 

 

Выбираем тип операционного  усилителя DA2 (предварительный усилитель по напряжению), в составе усилителя мощности, типа К140УД6 (см. рис. 1.7) [6]. Его параметры: E_п.оу(U_п.оу)=±15,6В; I_п.оу=4мА; I_{вых.max.оу}=25мА; R_вх.оу=1МΩ; K_оу30000; f_т.оу=5МГц

 

Рисунок 1.5 - Схема электрическая  принципиальная двухтактного усилителя  мощности реализованного на биполярных транзисторах

 

 

 

Рисунок 1.6 - Схема электрическая принципиальная дифференцирующего усилителя (дифференциатора) реализованного на ОУ

 

Определяем коэффициент  усиления транзисторного каскада по току К_i:

K_i = I_нр / I_{вых max oy}= =71,5

 

2.2.2 Расчет усилителя мощности по постоянному току

 

Расчет усилителя мощности (выходного  транзисторного каскада) выполняют  графо-аналитическим методом . Графические  построения проводятся с использованием выходных и входных статических  вольт-амперных характеристик транзисторов. На выходных статических характеристиках транзистора проводят так называемую линию нагрузки (пунктирная линия) каскада по постоянному току, представляющую собой геометрические места точек, координаты которых соответствуют возможным значениям положения точки покоя «П» каскада.

Аналитическое уравнение линии  нагрузки имеет вид:

E_п = I_к R_н + _∆U_кэ.

В связи с этим построение линии нагрузки проводят по двум точкам, характеризующим режим холостого  хода:

 U_хх = U_кэ = E_п=10В при I_к = 0;

 и короткого замыкания:

  U_кз = 0, I_к = E_п / R_н=3,57А.

В режиме АВ начальный  постоянный ток коллектора I_кп :

I_кп = (0,05…0,15)I_{к mах}=0,1*1,78=0,18А;

 при этом постоянный  ток базы транзистора VT2 I_бп=I_б2=4мА.

 Величина I_{к mах} пропорциональна U_вых.mах и U_н .

Откладываем значение I_кп на вертикальной оси I_к и находят положение рабочей точки «П» на линии нагрузки. По входным характеристикам, через полученный I_бп, находим значение напряжения покоя базы транзистора U_бэ.п, обеспечивающие заданный режим работы транзистора U_{бэ п}=U_cм=0,68В , где U_см- напряжения смещения.

    Выбираем маломощный диод в цепи делителя, с параметрами     

U_{обр max д}>2E_п., обладающий высокой температурной стабильностью.

U_пр.д составляет согласно схеме (рис. 1.7) величину напряжения покоя базы транзистора VT1, равную U_см.

Рисунок 1.7 - Схема электрическая принципиальная инвертирующего усилителя мощности: предварительный каскад по напряжению выполнен на ОУ (DA1); выходной двухтактный каскад выполнен на транзисторах VT1…VT2

 

 

Напряжение смещения составляет U_см=3 U_бэ.VT2=0,68В, а 2Е_п=20В.

 По  справочнику выбираем диод Д218*. Его характеристики:

U_пр=0,7B; I_пр=0,1A; U_обр=20В.

Определяем расчётные значения величин сопротивлений резисторов R6 и R7 в цепи делителя по формуле(см. рисунок 1.7):

=

По стандартному ряду выбираем резисторы: ТВО-1-91Ω(Р=1Вт).

Определяем мощность резистора R6 (R7) в цепи делителя по формуле:

P = I²_дел R₆=0,1²*91=0,91

 

2.2.3 Выбор компонентов инвертирующего усилителя

Первый каскад (инвертирующий усилитель) в составе усилителя мощности выполнен на основе операционного усилителя (ОУ) DA1 (см. рис. 1.7).

Выходной сигнал дифференцирующего  усилителя U_{вых ду} (см. рис. 1.5, 1.6, 1.7) является входным сигналом усилителя мощности

U_{вых ду}= U_{вх ум}=0,0527В (см. рис. 1.7)

Модуль коэффициента усиления по напряжению K в целом выходного усилителя мощности охваченного ООС (цепь с резистором R₃) определяем по формуле (1.1):

K_пп = - (R₅ / R₃) = U_вых / U_{вх пп}=5/0,0527=-94,87  (см. рис. 1.7).

Задаемся значением сопротивления резистора R₃=10кΩ, определяем величину резистора:

 R₅=10*94,87=948,7кΩ. Принимаем R₅=910кΩ. Величину балансного резистора R₄ определяем по формуле (1.2) как параллельное соединение резисторов R₃ и R₅ таким образом =9,9кΩ. По стандартному ряду выбираем R₄=10кΩ.

Выбираем резисторы R₃,R₄,R₅ МТ-0,125.  

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

1. Выполнен расчёт и выбор компонентов (элементов схемы), которые входят в состав разработанного дифференцирующего (интегрирующего) устройства [устройство состоит из 2-х блоков: дифференциатора (интегратора) и усилителя мощности].
2. Дифференцирующее (интегрирующее) устройство выполнено на базе интегральных микросхем (операционных усилителей) и биполярных транзисторов.
3. Выполнен расчёт двухтактного выходного транзисторного каскада - усилителя мощности, графо-аналитическим методом (каскад работает в режиме  АВ).
4. Выполнен расчёт компонентов в цепи автоматического смещения двухтактного выходного транзисторного каскада - усилителя мощности
5. Графо-аналитический расчёт и схемотехническое решение дифференцирующего (интегрирующего) устройства выполнены полностью и отвечают техническому заданию выданному на курсовой проект.
6. В процессе выполнения курсового проекта изучен следующий перечень теоретических вопросов: принципы работы дифференциаторов и интеграторов, входные каскады которых реализованы на операционных усилителях а выходные на биполярных транзисторах.

 

 

 

СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Проектирование усилительных  устройств./Под ред. Н.В. Терпугова.- -М.:Высшая школа, 1982. - С. 83-95.

2. Гутников В.С. Интегральная  электроника в измерительных  устройствах. -  2-е изд., перераб. и доп. – Л.:Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние,1988.   

3. Руденко В.С., Ромашко  В.Я., Трифонюк В.В. Промислова  електронiка. – К.:Либідь, 1993.

4. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов/Ю.Ф.Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под ред. О.П. Глудкина. - М.:Горячая Линия - Телеком, 2002.

5. Справочник по полупроводниковым  приборам и их аналогам./Под  ред. Пыжевского А.М. - М.: изд-во АО «РОБИ»,1992.

6. Аналоговые интегральные  микросхемы: Справочник/Б.П.Кудряшов, Ю.В.Назаров,  Б.В.Тарабрин.-М.:Радио и связь,1991.

7. Анисимов М.В. Елементи електронної апаратури та їх застосування. - -К.:Вища шк., 1997.

8. Резисторы: Справочник/В.В. Дубровский, Д.М.Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И. Четверикова и В.М. Терехова.-2-е изд., перераб. и доп. – М.:Радио и связь, 1991.-528 с.

9. Устройства электропитания  электронной аппаратуры/В.Ф. Басовский,  В.А.Баско, Н.А.Брик и др.; Под ред. В.Ф. Басовского. – К.: Техніка, 1980.

10. Александров К.К., Кузьмина  Е.Г. Электротехнические чертежи  и схемы. –- М.:Энергоатомиздат,1990.

11. Усатенко С.Т., Каченюк  Т.К., Терехова М.В. Выполнение  электрических схем по ЕСКД: Справочник. - М.:Изд-во стандартов, 1989.

12. Справочник по электрическим  конденсаторам / М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Присняков и др.; Под общ. ред. И.И. Четверикова и В.Ф. Смирнова. - М.:Радио и связь, 1983.

13. Электрические конденсаторы  и конденсаторные установки: Справочник/В. П. Берзан, Б. Ю. Геликман, М. Н. Граевский и др.; Под ред. Г.С. Кучинского-М.: Энергоатомиздат, 1987.-656с.

14. Транзисторы для  аппаратуры широкого применения: Справочник/К.М. Брежнева, Е.И. Гантман,  Т.И. Давыдова и др. Под ред.  Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981. – 656с.

15. Интегральные схемы:  Операционные усилители. Том 1. – М.: Физматлит, 1993. – 240с.

16. Полупроводниковые приборы: Диоды,  тиристоры, оптоэлектронные приборы.  Справочник/А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др.; Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 744с.