Усилитель вертикального отклонения осциллографа

Усилитель вертикального отклонения осциллографа

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.

1. Введение                                                                                      3

2. Техническое задание                                                                   3

3. Справочные данные на элементы                                               4

4. Структурная схема усилителя                                                     5

5. Расчёт входного делителя                                                           6

6. Расчёт предусилителя                                                                 7

7. Расчёт фазоинвертора                                                                 9

8. Расчёт оконечного каскада                                                                  11

9. Расчёт граничных частот                                                            15

10. Заключение                                                                                  16

11. Библиографический список                                                        17

12. 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.

U_вх=(10¸500)мВ

t_и=5мкс  

          Выходной сигнал:

U_вых=250В

          Нагрузка:

R_н=250кОм

          Входное сопротивление:

R_н>100кОм

Элементная база:

Использовать ИМС.

Диапазон температур:

T=(20±20)⁰C

Справочные данные на элементы.

Микросхемы

Микросхема         140УD5А

U_Uпит=±12В

К_уU=1500¸125000

R_вх=100кОм

R_вых<1кОм

f₁=15мГц

U_вых<±4В

U_Uпит=±(5¸16)В

К_уU=50

R_вх=1мОм

R_вых<1кОм

f₁=15мГц

Транзистор 2Т888А

U_КЭмах=900В

a=0.976

b=40

f_в=15мГц

U_вых<±10В

I_Кб0<10мкА

I_Кмах=100мА

P_Кмах=7Вт (с теплоотводом)

С_к=45пФ

Тип p-n-p

Структурная схема усилителя

 

          Исходя из технического задания, была выбрана структурная схема усилителя рис.1

Структурная схема усилителя

 

          U_вх       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

                                                                            

                                                                            

                                                                            

 

                             R₁

 

        C₂                 R₂          C₃                  R₃

 

                             Рис №2

Зададимся

R₁=100кОм

С₁=220пФ

K₁= 0.1 ( коэффициент деления 1:10)

K₂=0.02 ( коэффициент деления 1:50)

C₁R₁= C₂R₂= C₃R₃

R₂=R₁*K₁/(1-K₁)

R₃=R₁*K₂/(1-K₂)

R₂=11кОм

R₃=2кОм

Рассчитаем С_I

Пусть С₁=220пФ 

Тогда  С₂=С₁*R₁/R₂=2нФ  

 С₃=С₁*R₁/R₃=10.8 нФ

Номинальные значения:

R₂=11кОм   С₂=2 нФ

R₃=2кОм    С₃=11 нФ

 Предварительный усилитель

         C₁      DA1              C₂             DA2               C₃            DA3

           

             +                                    +                                 +   

                 -                                    -                                  -

 

                      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:

Возьмем R₁=10 кОм

Тогда:         R₂=R₁(K₀-1)= 150кОм

Верхняя граничная частота при K₀=16, f_В=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: К_­0=3 он зависит от величен сопротивлений R₅  и R₆

При R₅=10кОм и R₆=20кОм коэффициент усиления составит K_0min=3

Пусть максимальный коэффициент усиления составит K_0мах=4

Следовательно R₇=R₅(K_0min-1)-R₆=10кОм

Верхняя граничная частота при K₀=4, f_В=5МГц (справ. данные)

Нижняя граничная частота при C₃=1мкФ

          Параметры всего ПУ

Коэффициент усиления всего ПУ: K₀=K₀₁K₀₂K₀₃

K_0max=K₀₁K₀₂K₀₃=1024

K_0min=K₀₁K₀₂K₀₃=768

Верхняя граничная частота:

F_ВПУ=2.9 МГц

Нижняя граничная частота

 f_н= f₁+f₂+f₃=5Гц

Расчёт фазоинвертора:

                                      С₂                         DA1

                                                    +

 

                                                    -   

Вх

                                                     R₂

 

                           C₁        R₁                           DA2

                                                    -

                                                    +

                                                         

 

                                      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 Þ K₀₂»1

Для обеспечения симметричного выхода сделаем R₂ – переменным сопротивлением

Верхняя граничная частота для 140УD10 – равна 15МГц

Нижняя граничная частота равна:

Необходимо чтобы F_Н1=F_Н2 (нижние граничные частоты обоих плеч были одинаковые )

Вожмём С₁=1мкФ тогда:

Т.К. R_ВХповт=R_Вхоу=1 МОм=100R₁,

то чтобы F_Н1= F_Н2  следует взять С₂=0,01C₁=0.01 мкФ

Расчёт оконечного каскада

 

        R₁                      R_к                                       

                              C_c2           C_c4

        C_c1                                                           C_c3

                           VT₁               VT₂

 

        R₂                  R_э                                                       

                             C_Э          R_эоб

 

                                      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:

I_Кмах=40мА

Динамическая линия нагрузки транзистора               

              I мА

        40

                                      Р.Т.

        20       

 

          0   100               350                     700                U_кэВ

                                      Рис. 4

Возьмем R_Э=4кОм и R_К=13.5кОМ

 

Найдем рассеиваемую мощность

P_Rк=5.4Вт   и        P_Rэ=I²_Э0*R_Э=1.7Вт

Произведём расчёт базового делителя:

Пусть I_дел=5мА

U_Э0= I_Э0*R_Э=20мА*4кОм=82В  - напряжение на эмиттере

U_Б0= U_Э0*U_БЭ=82.5В - напряжение на базе

R₂= U_Б0/I_дел=16400»16 кОм    

R₁=112272 Ом»110 кОм

R_Б»14кОм

Найдём коэффициент термонестабильности N_S=1+R_Б/R_Э=4,6

Определим крутизну

S=I_К0/м*j_т=256мА/В

Рассчитаем g_экв

g_К=1/R_К=1/13.5=7.4*10^-5 Cм

g_н=1/R_н=4*10^-6 Cм

g_i=h₂₂=(1+b)I_Кбо/U_Кэо=1.177*10^-6 Cм

g_экв=g_i+g_н+g_к=7.93*10^-5 Cм

Рассчитаем коэффициент усиления

K_O=S/g_экв=3228

Введём О.О.С. разделив сопротивление R_Э

Пусть K₀^*=30 тогда K₀^*= K₀/1+g*K₀

g=R_Э/R_К=0.033     R_Э - сопротивление  О.О.С.

R_Э=g* R_К=445Ом            Þ R_Э1=R_Э-R_Э»4кОм-430Ом»3,6кОм

F=1+g*K₀=107.5 – глубина обратной связи

Входная проводимость:

G₁₁= I_К0/м*j_т*b=6.4*10^-3

j_т – тепловой потенциал

r_вх =1/g₁₁=156 Ом

r_э=j_т/I_Эо=1.27Ом

сопротивление базы транзистора

r_Б=r_вх-br_Э=105Ом

Расчёт по переменному току:

Найдём нижнюю частоту

Расчёт граничных частот

Рассчитаем верхнюю частоту всего усилителя по формуле:

Обеспечим при этом длительность фронта равной:

t_Ф=0.35/f_В=0.34 мкс

что для t_И=5мкс составляет менее 7%

 Рассчитаем нижнюю частоту всего усилителя по формуле

f_н= f_нпр+f_нфаз+f_нокон=5+16+260=281Гц

Для предварительного усилителя

t_нпр=С₄*R_вх=0.1с

f_нпр= 1/(2p*t_нпр)=1.6 Гц

Для фазоинвертора

t_нфи=С₇*R₁₀=0.01с

f_нфи= 1/(2p*t_нфи)=16 Гц

Для предоконечного каскада

t_нпре=С₈*R_вх=1с

f_нпре= 1/(2p*t_нпре)=0.2 Гц

Для оконечного каскада

f_нокон=260 Гц

R_Эоб=0.5R_Э1=1780Ом

Расчет транзисторов на мощность

 

 

 

Обозначение

Рассеиваемая мощность

Примечания

R1

0.0625 мкВт

 

R2

0.625 мкВт

 

R3

2,5 мкВт

 

R4

 

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.