скачать рефераты

скачать рефераты

 
 
скачать рефераты скачать рефераты

Меню

Усилитель систем автоматики скачать рефераты

Усилитель систем автоматики

Содержание

1. Расчет варианта усилителя на транзисторах

1.1 Анализ задания. Предварительный расчёт. Структурная схема

1.2 Расчет пятого (оконечного) каскада

1.3 Расчет четвертого (предоконечного) каскада

1.4 Расчет третьего каскада

1.5 Расчет второго каскада

1.6 Расчет первого каскада

1.7 Расчёт фильтров питания. Расчёт цепей регулировки усиления. Расчёт разделительной ёмкости во входной цепи

2. Расчет УВЧ на интегральных микросхемах

2.1 Анализ варианта усилителя на ИМС

2.2 Расчет элементов первого каскада

2.3 Расчет элементов второго каскада

2.4 Расчёт регулировки усиления

3. Конструкторская часть

4. Выбор оптимального варианта

5. Заключение

6. Список использованной литературы

1. Расчет варианта усилителя на транзисторах

1.1 Анализ задания. Предварительный расчёт. Структурная схема

Исходные данные:

Rист=7000 Ом; К0=325; Мн=0,77; Fн=60 Гц; Мв=0,73; Fв=130 кГц; Rн=13 Ом; Кг=1,3; Pвых=3,9 Вт; Uпит= ±12 В; tmax=49°С

Во первых, из заданной по ТЗ величины Pвых и Rн выразим значения амплитуд тока и напряжения в нагрузке:

Напряжение Uвых не превышает питающего напряжения, следовательно получить такую мощность в нагрузке возможно.

Поскольку от одного усилительного каскада получить коэффициент усиления К0=325 невозможно, будем рассчитывать многокаскадный усилитель. Для определения числа каскадов и типа включения транзистора в них (ОК, ОЭ, ОИ) проанализируем величины сопротивлений нагрузки и источника сигнала:

Если Rист < 10кОм, то каскад по схеме ОК на входе не нужен. В нашем случае это условие удовлетворяется за счёт использования полевого транзистора на входе.

Если Rн< 300?500 Ом, то нужен каскад по схеме ОК или двухтактный усилитель мощности. В нашем случае будем использовать именно двухтактный УМ.

Остальные каскады усилителя будут выполнены по схеме ОЭ и межкаскадный эмиттерный повторитель (по схеме ОК).

Рассчитывать количество каскадов будем отталкиваясь от значения К0=325, с учётом того, что коэффициент усиления по напряжению у двухтактного УМ Кдум?0,7?0,9.

Исходя из вышесказанного, рассчитаем коэффициент усиления требуемый от каскадов предварительного усиления (КПУ), по следующей формуле:

где Квц - ослабление входной цепи (Квц=0,6?0,8)

Квх - коэффициент передачи входного каскада по схеме ОК, так как у нас его нет, исключаем эту величину из расчетов.

Квых - коэффициент передачи выходного каскада (двухтактного УМ), Квых?0,7?0,9

Подставив эти величины в вышеуказанную формулу получим:

Для того, чтобы узнать какой коэффициент усиления должен быть у каждого каскада по схеме ОЭ, на этапе предварительного расчета положим их равными друг другу. Исходя из этого получим следующую формулу:

где Кi - коэф-т усиления каждого каскада (Кi=8?16)

N - число каскадов.

При Ki=10 и числе каскадов N=3 получим, что Кпр= 1000, что удовлетворяет нашим условиям.

Итак, имея три каскада по схеме ОЭ и двухтактный УМ на выходе, мы можем распределить коэффициенты усиления более рационально.

Для первого каскада, так как он на ПТ, сделаем коэффициент усиления по напряжению (K1=3).

Для второго каскада, коэффициент усиления по напряжению возьмём максимальный из разумных и возможных:

Теперь распределим частотные искажения между каскадами усилителя, зная, что у каскада на ПТ (из-за схемотехники каскада), ЭП и двухтактного УМ они равны Мн=0,9 ? 0,99, а у всех остальных положив равными:

где Mi - частотные искажения i-го каскада.

Так как Miв и Miн не превышают 0,98, следовательно корректирующий каскад (каскад с перекоррекцией) может и не понадобиться.

Структурная схема усилителя:

1.2 Расчет пятого (оконечного) каскада

Так как нагрузка каскада низкоомная (Rн=13 Ом), то мы решили использовать двухтактный усилитель мощности. Методика расчета приведена в литературе.

Для начала определимся с параметрами, которым должен удовлетворять транзистор:

где: Pkmax - допустимая мощность рассеяния

Ikmax - максимальный коллекторный ток.

Также:

Также транзисторы должны образовывать комплементарную пару с максимально близкими по значению параметрами и идентичными характеристиками. Исходя из этих условий была выбрана пара транзисторов КТ816А и КТ817А.

Здесь и далее в расчётах представлены лишь те справочные параметры транзистора, которые непосредственно используются в расчетах. Все остальные параметры, в том числе и предельные эксплуатационные, можно посмотреть в справочнике [4]

На выходных характеристиках транзистора построим нагрузочную прямую (см. рисунок) и определим по ней исходный ток коллектора: . Также, по характеристикам найдём:

По входным и выходным характеристикам (проведя между ними аналогию) построим сквозную переходную характеристику (СПХ):

Где: предыдущего каскада

Определим по СПХ: I1=880мА, I2=720мА

Исходя из этого, можно рассчитать коэффициент нелинейных искажений по 3-ей гармонике:

;

По входным и выходным характеристикам определяем:

Отсюда глубина обратной связи:

Следовательно, коэффициент нелинейных искажений с учётом ООС:

Логично предположить, что несмотря на то, что транзисторы максимально идентичны, некоторая асимметрия в верхнем и нижнем плече всё же присутствует. Предположим максимально худший вариант, что токи транзистора отличаются в полтора раза (1+x), тогда коэффициент асимметрии будет равен: .

Найдём коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике:

Тогда общий коэффициент нелинейных искажений равен:

Для определения эффективности работы двухтактного усилителя рассчитаем КПД, воспользовавшись следующей формулой:

Согласно схеме, в делитель на входе включены два диода, которые обеспечивают задание рабочей точки. Для выбора диода зададимся:

Используя справочник по полупроводниковым элементам найдём подходящие диоды:

ГД511В:

Найдём номиналы сопротивлений в цепи делителя, полагая их равными:

Из ряда номинальных значений возьмём

Ом

Тогда сопротивление делителя равно:

Зная сопротивление делителя и рассчитав входную проводимость сигнала g11 можно рассчитать входное сопротивление каскада с учётом ООС:

Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:

Как мы и предполагали, коэффициент усиления по напряжению меньше 1, но достаточно близок к нему.

Найдём значения амплитуды напряжения и тока на входе каскада для обеспечения номинальной мощности в нагрузке:

Именно такие амплитуды мы должны получить от предыдущего каскада усилителя.

Также нам надо рассчитать Ср для обеспечения заданных частотных искажений Мн:

Возьмём Ср из допустимого ряда номиналов, Ср=1000 мкФ.

Поскольку граничная частота нашего усилителя меньше 1 МГц , то шунтировать его керамическим конденсатором на ВЧ необязательно.

Для определения входной ёмкости каскада предположим с большой долей вероятности, что двухтактный УМ это два эмиттерных повторителя работающих на разные полупериоды гармонического сигнала но на одну нагрузку. Следовательно, входная ёмкость каскада равна параллельному соединению двух входных емкостей аналогичных эмиттерных повторителей, ёмкость которых легко рассчитать:

где rб - справочный параметр, сопротивление базы транзистора.

1.3 Расчёт четвёртого (предоконечного) каскада

Предоконечный каскад выполним по схеме ОЭ. За основу возьмём инженерную методику расчёта взятую из книги.

Определим параметры по которым будем выбирать транзистор:

Где Umвых = 10,5 В - амплитуда напряжения сигнала на выходе каскада;

Imвых = 0,0121 А - амплитуда тока сигнала на выходе каскада;

Этим условиям соответствует транзистор КТ603А.

По входным и выходным характеристикам, построив нагрузочную характеристику, найдём из рабочей точки и приращений в них, следующие параметры:

Так как мы работаем на оконечный каскад, то его входные параметры будут являться параметрами нагрузки для данного каскада:

Для расчета элементов задания рабочей точки и термостабилизации выполним следующий порядок действий:

1. Зададимся допустимым изменением тока коллектора:

2. Определение сопротивления в цепи эмиттера:

Из стандартного ряда сопротивлений выберем Rэ=82 Ом.

По выходным характеристикам в точке пересечения нагрузочной прямой с осью Iк , ток равен:

, следовательно можно найти Rк по формуле:

3. Зададимся изменением обратного тока коллектора:

4. Найдём коэффициент нестабильности:

5. Рассчитаем сопротивление делителя:

6. Зная сопротивление делителя рассчитаем сопротивления в цепи делителя:

Из стандартного ряда сопротивлений: R1=18 кОм и R2=22 кОм.

По совокупности входной и выходной характеристик можно построить сквозную переходную характеристику и по ней найти нелинейные искажения в каскаде. Для расчета воспользуемся графоаналитическим методом пяти ординат:

Где Kгf - коэффициент нелинейных искажений с учётом действия ООС.

Рассчитаем КПД данного каскада. Этот каскад и каскад УМ работают с большими сигналами, и КПД является важной для них характеристикой:

Как нетрудно заметить, каскад в режиме усиления класса А имеет КПД практически в два раза.

Приступим к расчету каскада на трёх частотных диапазонах (НЧ, ВЧ, СЧ), для каждого из них каскад будет иметь свою эквивалентную схему.

Расчёт на НЧ:

На низких частотах влияние оказывает разделительная ёмкость Ср и Сэ, их и рассчитаем исходя из допустимых частотных искажений на каскад. Разделим заданные искажения между двумя ёмкостями Ср и Сэ.

Зададимся частотными искажениями приходящимися на Ср:

Из номинального ряда ёмкостей выберем Ср=18 мкФ.

Тогда на ёмкость Сэ приходятся следующие частотные искажения:

И расчет будет выполняться по следующей формуле:

По ряду номиналов Сэ = 1500 мкФ, что является очень большим номиналом, для его уменьшения мы введём НЧ - коррекцию в одном из предыдущих каскадах и пересчитаем Сэ ещё раз позднее.

Для расчета входного сопротивления этого каскада выполним следующие действия:

Где Rдел был нами рассчитан ранее, а Rf рассчитаем чуть позднее.

Входная ёмкость каскада равна:

Амплитуды напряжения и тока на входе найдём по следующим формулам:

Расчёт на СЧ:

На средних частотах ёмкости не оказывают какого-либо значительного влияния. На данных частотах произведём расчет коэффициента усиления и влияния ООС:

Для получения требуемого коэффициента усиления введем ООС с фактором равным:

Рассчитаем RF - сопротивление эмиттера для обеспечения заданной ООС.

Так как Rэ для термостабилизации и для обеспечения заданной ООС различаются довольно значительно, воспользуемся следующим методом, зашунтируем ёмкостью Сэ следующую часть Rэ:

Именно её и будем шунтировать.

Расчёт на ВЧ:

На ВЧ начинает оказывать активное влияние ёмкость Сo, что приводит к спаду усиления до нуля.

Для обеспечения коэффициента частотных искажений проводимость в цепи коллектора должна быть не менее:

-эквивалентная ёмкость.

- постоянная времени цепи, где rб - справочный параметр.

fт - граничная частота транзистора (справочный параметр).

Так как наше Rк меньше полученного значения, следовательно удовлетворяет заданным частотным искажениям.

1.4 Расчёт третьего каскада

Третьим каскадом будет эмиттерный повторитель (каскад по схеме с ОК). Введение межкаскадного повторителя позволит последующим каскадам работать на высокоомную нагрузку (Rвх эмиттерного повторителя), а следовательно, и вводить в них НЧ - коррекцию, основным требованием для которой является высокоомность нагрузки каскада с коррекцией. Таким образом, введение одного маломощного каскада и двух элементов НЧ - коррекции позволит значительно понизить номиналы конденсаторов, отвечающих за искажение в области НЧ. Так как это зачастую электролитические конденсаторы большой ёмкости, её уменьшение ведёт к уменьшению габаритных размеров самого конденсатора.

Так как мы имеем дело с достаточно малыми по амплитуде сигналами (сотые-десятые доли от Еп), то можно воспользоваться другой методикой расчета, которая предъявляет меньшие требования к термостабилизации, так как даже при относительно больших изменениях положения рабочей точки, при малых сигналах, не приводит к захождению сигнала в область отсечки и/или насыщения.

Рассчитаем эмиттерный повторитель именно по этой методике.

Исходными данными, из расчётов последующих каскадов и выбранной рабочей точки, являются:

Транзистор КТ312А;

Расчет на СЧ:

Схема замещения каскада:

Коэффициент передачи эмиттерного повторителя по напряжения равен:

Мы приняли , отсюда

Ом

Нагрузочная по постоянному току строится так, чтобы размах сигнала уместился в линейной части ВАХ:

Из номинального ряда сопротивлений Rэ=470Ом.

Рассчитаем коэффициент передачи при таком значении Rэ:

Расчет на ВЧ:

Схема замещения:

Частотные искажения на ВЧ рассчитываются по формуле:

,

где - постоянная времени каскада при СН = 0, .

Найдем для транзистора КТ312А:

,

где rб - сопротивление между выводом базы и переходом база-эмиттер (справочный параметр),

- постоянная времени обратной связи

с.

Фактор обратной связи вносимый будет равен:

Постоянная времени каскада:

с.

Параметр , где - эквивалентная емкость.

Емкость С22 находим по формуле:

, где Ск - справочный параметр равный: Ск = 30 пФ

Тогда эквивалентная емкость будет равна:

Коэффициент частотных искажений на ВЧ будет равен:

Таким образом, на ВЧ мы получили меньшие частотные искажения, чем отводили на каскад, что скомпенсирует завал, полученный за счет входной цепи и других каскадов.

Расчёт на НЧ:

Схема замещения:

На НЧ появляется спад усиления за счет влияния разделительной емкости СР.

Допустимые частотные искажения на НЧ:

, разделительная емкость при этом будет равна:

, где

мкФ.

Возьмем СР с запасом 20…30 %, по ряду номиналов мкФ

Расчёт делителя, входных сопротивления и ёмкости:

Эмиттерный повторитель охвачен 100% ООС. Сопротивление в цепи эмиттера по постоянному току достаточно велико и способствует хорошей термостабилизации каскада. Сопротивление зависит от сопротивления делителя в цепи базы и рассчитывается по формуле:

где: параметр характеризует сопротивление делителя по переменному току:

- статический коэффициент передачи тока базы.

Страницы: 1, 2, 3