Введение в цифровую электронику Магнитные цепи Полупроводниковые приборы Передача дискретных сигналов Выражение мощности в комплексной форме Резонанс напряжений Преобразователи напряжения Сглаживающие фильтры

Расчетные задания курсовой по электронике и электротехнике

Расчет элементов и параметров каскада промежуточного усиления

Каскад промежуточного усиления должен обеспечивать размах выходного напряжения  на нагрузке сопротивлением

в полосе частот (20-26)10 при входном сигнале 30 мВ и входном сопротивлении 110кОм.

 Если учесть, что параметры усилителя могут изменяться при изменении температуры окружающей среды, то необходимо иметь коэффициент усиления по напряжению в несколько раз больше минимального значения:

Предъявленным условиям должен удовлетворять быстродействующий широкополосный операционный усилитель типа К154УД4[1], имеющий следующие параметры:

Таблица 3

Наименование параметра

К154УД4

Напряжение питания

Напряжение смещения

6

Входной ток

100

Выходное напряжение

11

Коэффициент усиления

62

Коэффициент подавления синфазного сигнала

72

Входное сопротивление

1

Потребляемая мощность

210

Частота единичного усиления

20

Коэффициент усиления ОУ на постоянном токе составляет  или .Так как крутизна спада АЧХ ОУ составляет 20 дБ/дек, то это означает , что при увеличении частоты сигнала в 10 раз коэффициент усиления ( начиная с некоторой частоты) будет падать ровно в 10 раз и на частоте f=20МГц достигнет значения

Таким образом , на частоте f=20МГц -;на f=2МГц-; на f=200МГц-; на f=2МГц- и так далее до достижения частоты , на которой будет достигнут максимальный коэффициент усиления .Процесс изменения коэффициента усиления наглядно отражается на его АЧХ, построенной в логарифмическом масштабе на рис. 3

Рис.3.АЧХ операционного усилителя типа К154УД4

Из АЧХ выбранного ОУ следует, что на верхней частоте усиливаемого сигнала fв= 26кГц коэффициент усиления напряжения ОУ равен приблизи­тельно 750, то есть имеется запас по этому параметру, минимальное значение

которого равно .

Значение сопротивления резистора R выбираем исходя из заданного в ТЗ значения входного сопротивления:

 откуда

Выбираем из справочника [2] R2 = 120 кОм.

Для того чтобы уменьшить влияние входных токов ОУ, следует выбрать сопротивление резисторов (если их несколько, то их параллельное соедине­ние), подключённых к каждому входу, приблизительно одинаковыми. Исхо­дя из этого условия и полагая, что установка сопротивления местной обрат­ной связи R не эффективна, так как запас по коэффициенту усиления неве­лик, выбираем значение сопротивления общей обратной связи R=R=120 кОм.

Формула коэффициента усиления всего усилителя мощности, охвачен­ного общей отрицательной обратной связью, имеет следующий вид:


Из этой формулы находим значение R:

Выбираем из справочника [2] R1 = 270 Ом.

Сопротивление местной отрицательной обратной связи выбираем вдвое

большим сопротивления R=R= 240 кОм.

Полагая отклонение сопротивления резисторов равным 10%, подсчиты­ваем нестабильность коэффициента усиления:

 

Задаёмся отклонением сопротивлений 5%:

При использовании резисторов в цепи обратной связи с отклонениями 5% требования к стабильности усилителя соблюдаются.

3.3Расчёт и выбор номиналов резисторов и конденсаторов

Номинальные значения всех резисторов выбраны в предыдущих разде­лах. Осталось определить их по мощности, допуску и типу.

Полагаем, что допуски всех резисторов, кроме резисторов общей обрат­ной связи равны 5%, а допуск на резисторы общей обратной связи должен быть меньше - 2%.

Мощность рассеяния резистора определяется по формуле:

Все расчёты и данные резисторов сведены в табл. 4

Обозначение

Номинал

Допуск

Тип

R

270 Ом

30мВ

3,3мкВт

0,125Вт

1%

С2-29

R

120кОм

30мВ

75 мкВт

0,125Вт

5%

С2-33

R

120кОм

13,4В

1,5мВт

0,125Вт

1%

С2-29

R

240кОм

6,7В

0,187мВт

0,125Вт

5%

С2-33

R

6,2кОм

23,4В

88 мВт

0,125Вт

5%

С2-33

R

6,2кОм

23,4В

88мВт

0,125Вт

5%

С2-33

R

6,8Ом

100мА

6,8мВт

0,125Вт

5%

С2-33

R

6,8Ом

100мА

6,8мВт

0,125Вт

5%

С2-33

R

68Ом

6,7В

0,66Вт

1Вт

5%

С2-33

R₁₀

68Ом

6,7В

0,66Вт

1Вт

5%

С2-33

Значения емкостей разделительного и блокировочного конденсаторов С и С2 рассчитываются исходя из допустимых частотных искажений на нижней

частоте входного сигнала.

Коэффициент влияния на частотные искажения в случае применения од­ного разделительного и одного блокировочного конденсаторов определяется исходя из заданного коэффициента искажений Мн = следующим обра­зом:

Ёмкость разделительного конденсатора определяется по формуле:

 

Ёмкость блокировочного конденсатора определяется по формуле:

Выбираем из справочника С=220пФ, С=62нФ типа К50-35-25В

4. Расчет частотных искажений в области высоких частот

Коэффициент частотных искажений транзисторного каскада в высоко­частотной области определяется по формуле:

где ωв=2πfв=2∙π∙26∙103= 163 • 103рад/с- верхняя круговая частота;

Тв = Тβ + Тк - постоянная времени транзисторного каскада;

постоянная времени транзистора на граничной частоте;

- постоянная времени коллекторного перехода;

Ск- ёмкость коллекторного перехода;

Rн- сопротивление нагрузки транзисторного каскада.

 Для промежуточного каскада Rн=6,8 Ом; Ск=10пФ; fгр=5МГц.

  Подсчитаем искажения, вносимые промежуточным каскадом.

 Для оконченного каскада Rн=15 Ом; Ск=60 пФ; fгр=1 МГц.

 Подсчитаем искажения, вносимые оконченным качкадом.

Общий коэффициент частотных искажений, равный МВпр • МВок = 1 оз­начает, что на верхней частоте усиливаемого сигнала искажения практически отсутствуют.

Расчет коэффициента полезного действия усилителя

Расчет производим при максимальной амплитуде входного сигнала для одного плеча.

Мощность, потребляемая нагрузкой, равна Рн =12 Вт.

При расчёте параметров оконечного каскада усилителя мощности по­считано, что мощность, потребляемая этим каскадом (вместе с нагрузкой) со­ставляет 21,6 Вт. Таким образом, оконечный каскад потребляет мощность

Рок = 21,6 - 12 = 9,6 Вт.

 Промежуточный каскад потребляет мощность РПР = ЕпитУМ • Ivt1 = 24В • 0,05А=1,2Вт.

 Операционный усилитель каскада промежуточного усиления потребляет общую мощность от обоих источников питания 210мВт. Следовательно, от

одного источника он потребляет  . Общее потребление мощности схемой усилителя совместно с нагрузкой составляет

∑Р = Рн + Рок+Рпр+Роу = 12 + 9,6 + 1,2 + 0,105 = 22,905Вт.

 КПД всего усилителя составляет

 Таким образом, требование ТЗ Ƞ > 50% выполнено.