Разработка усилительного устройства
Задание
Основанием для разработки является задание по курсу
«Электроника и микросхемотехника». Разработка предназначена для усиления
электрических сигналов низкой частоты. Область применения - радиоэлектронная
аппаратура.
. Условия эксплуатации системы:
а) температура окружающего воздуха от -10 до +350
С;
б) относительная влажность до 95% при температуре +200
С;
в) атмосферное давление 750 ± 30 мм рт. ст.
. Эксплуатационно-технические характеристики системы:
а) источник сигнала……………………………..;
б) нагрузка………………………………………….., ;
в) частотный диапазон…………………………., ;
г) линейные искажения.………………………;
д) нелинейные искажения……………………………...
Введение
Усилительные устройства находят применение в самых различных
областях науки, техники и производства, являясь либо самостоятельными
устройствами, либо частью сложных приборов и систем.
В настоящее время основными элементами большинства
радиоэлектронных устройств являются полупроводниковые приборы. Техника усиления
электрических сигналов непрерывно развивается. Это связано в первую с развитием
и совершенствованием радиоэлектроники и технологии, разработкой новых
усилительных приборов. Появление новых полупроводниковых приборов и
технологических процессов позволило объединить множество транзисторов, диодов,
резисторов в одно устройство - интегральную микросхему (ИМС). Всё это
значительно повысило надёжность электронной аппаратуры.
При развитии линейных ИМС значительно расширились возможности
использования усилительных устройств. Применяя в качестве усилительного прибора
ИМС, можно решать ряд задач, связанных с аналоговой обработкой сигналов.
Однако реализовать достоинства полупроводниковых приборов
можно только при знании их физических свойств, параметров, характеристик и
эксплуатационных особенностей.
Полупроводниковые приборы способны работать с большой
эффективностью при низком напряжении источников питания и в отдельных случаях
при малом рабочем токе. В то же время они весьма чувствительны к перегрузкам,
поэтому при проектировании схемы необходимо правильно выбирать рабочие режимы.
Большая чувствительность транзисторов и диодов к изменению
температуры и режимов, а также разброс параметров, изменение их величин во
время хранения и работы являются особенностями полупроводниковых приборов.
1.
Расчет оконечного каскада
Рисунок 1.1 - оконечный каскад УНЧ
. Выберем транзисторы по допустимой мощности рассеяния на
коллекторе , максимальной амплитуде коллекторного
тока и по верхней граничной частоте :
;
;
Выбираем транзисторы BDW93B и BDW94B
По характеристикам выбранного транзистора определяем его
рабочую область:
Рисунок 1.2 - выходные характеристики транзистора
Определяем максимальный ток базы и напряжение насыщения
;
Рисунок 1.3 - входная характеристика транзистора по входной
характеристике определяем
,
Отсюда
. Определяем максимальное напряжение на нагрузке и напряжение питания :
. Определяем глубину отрицательной обратной связи по формуле:
;
. Рассчитываем резисторы делителя:
Так как мы берем четыре диода, то на каждом из них падение
напряжения будет равно:
Выбираем диод 1N4934.
По ВАХ диода определяем Iд = 2мА и находим значение сопротивления
делителя напряжения :
.
5. Рассчитаем входное сопротивление усилителя :
. Рассчитаем амплитудные значения входного сигнала, обеспечивающие
заданную мощность на выходе:
2. Расчет входного каскада
1. Определим необходимый коэффициент усиления Ku:
;
Выберем операционный усилитель OP183G.
Fоу=5 МГц
;
- следовательно, условия по заданной граничной частоте не
выполняются, и необходимо взять второй ОУ.
.
;
- следовательно, условия по заданной граничной частоте выполняются
Откуда найдем R4 = R5 = R7
усилитель
частота полупроводниковый
3. Расчет надежности
Таблица 3.1 - интенсивность отказов элементов принципиальной
схемы
ТИП
|
li, 10-6 (интенсивность отказов)
|
N (кол - во)
|
Диоды
|
0.2
|
4
|
Транзисторы
|
0.5
|
2
|
МС
|
0.5
|
2
|
Резисторы
|
0.04
|
10
|
Соединения
|
0.004
|
46
|
Вероятность безотказной работы в течении t часов вычисляется:
Вероятность
безотказной работы в течение тысячи часов:
Как видим, вероятность безотказной работы в течение тысячи часов
достаточно велика и можно утверждать, что схема не выйдет из строя с
вероятностью 99,7%.
Вероятность
безотказной работы в течение миллиона часов:
Можно утверждать, что в течение миллиона часов схема примерно с
вероятностью 97% выйдет из строя.
Заключение
В данном курсовом проекте был разработан усилитель
электрических сигналов первичных измерительных преобразователей систем
автоматического регулирования, который представляет собой усилитель переменного
тока низких частот (0..14 кГц).
В схеме используются резисторы, диоды, транзисторы,
операционные усилители, которые не могут осуществлять работу схемы от одного
источника, поэтому было использовано 4 источника энергии: 2 во входном и 2 в
оконечном каскадах.
В качестве входного каскада использован операционный
усилитель, что значительно облегчило расчет и проектирование. Однако в процессе
расчёта входного каскада выяснилось, что одна микросхема не может дать должный
коэффициент усиления из-за верхней граничной частоты (при необходимом
коэффициенте усиления = 703.56, она в 2 раза меньше заданной), поэтому пришлось
использовать два последовательно соединенных операционных усилителя.
В результате, разработанный прибор полностью удовлетворяет
данным, представленным в техническом задании (Rнагрузки = 18 Ом, Pр.на нагр. = 11 Вт), а вероятность
безотказной работы в течение 1000 часов равна 99.7%.
Перечень
ссылок
1.
Гершунский
Б.С. Справочник по расчету электронных схем / Гершунский Б.С. - 1987.
2.
Гершунский
Б.С. Основы электроники и микроэлектроники / Гершунский Б.С. - 1987.
3.
Лавриненко
В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам / Лавриненко В.Ю. - 1984
4.
Булычев
А.Л. Аналоговые интегральные схемы / Булычев А.Л., Галкин В.И., Прохоренко В.А.
- 1993.