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. Введение 3 Техническое задание 3 Справочные данные на элементы 4 Структурная схема усилителя 5 Расчёт входного делителя 6 Расчёт предусилителя 7 Расчёт фазоинвертора 9 Расчёт оконечного каскада 11 Расчёт граничных частот 15 Заключение 16 Библиографический список 17 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 (и=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 (=0.976 (=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 Рис.1 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
( ( ( ( ( ( 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 R5=10кОм и R6=20кОм коэффициент усиления составит K0min=3 Пусть максимальный коэффициент усиления составит K0мах=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
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 ( K02(1 Для обеспечения симметричного выхода сделаем R2 – переменным сопротивлением Верхняя граничная частота для 140УD10 – равна 15МГц Нижняя граничная частота равна: Необходимо чтобы FН1=FН2 (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*(т=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+()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+(*K0 (=RЭ/RК=0.033 RЭ - сопротивление О.О.С. RЭ=(* RК=445Ом ( RЭ1=RЭ-RЭ(4кОм-430Ом(3,6кОм F=1+(*K0=107.5 – глубина обратной связи Входная проводимость: G11= IК0/м*(т*(=6.4*10-3 (т – тепловой потенциал rвх =1/g11=156 Ом rэ=(т/IЭо=1.27Ом сопротивление базы транзистора rБ=rвх-(rЭ=105Ом Расчёт по переменному току: Найдём нижнюю частоту
Расчёт граничных частот Рассчитаем верхнюю частоту всего усилителя по формуле: Обеспечим при этом длительность фронта равной: (Ф=0.35/fВ=0.34 мкс что для (И=5мкс составляет менее 7% Рассчитаем нижнюю частоту всего усилителя по формуле fн= fнпр+fнфаз+fнокон=5+16+260=281Гц Для предварительного усилителя (нпр=С4*Rвх=0.1с fнпр= 1/(2(*(нпр)=1.6 Гц Для фазоинвертора (нфи=С7*R10=0.01с fнфи= 1/(2(*(нфи)=16 Гц Для предоконечного каскада (нпре=С8*Rвх=1с fнпре= 1/(2(*(нпре)=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.
