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)⁰ C

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

Микросхема 140УD10

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)

C₁ R₁ = C₂ R₂ = C₃ R₃

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.

К
оэффициент 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, f_В =5МГц (справ. данные)

Н
ижняя граничная частота при C₁ =1мкФ

В
озьмём 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

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

П
усть 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 =K₀₁ K₀₂ K₀₃

K_0max =K₀₁ K₀₂ K₀₃ =1024

K_0min =K₀₁ K₀₂ K₀₃ =768

В
ерхняя 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:

Н
еобходимо 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.

У
равнение линией нагрузки будет выглядеть следующим образом:

I_Кмах =40мА

Динамическая линия нагрузки транзистора

I мА

40

Р.Т.

20

0 100 350 700 U_кэ В

Рис. 4

Возьмем R_Э =4кОм и R_К =13.5кОМ

Рабочая точка: I_К0 =20мА U_КЭ0 =350В

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

R
₁ =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:

Н
айдём нижнюю частоту

Расчёт граничных частот

Р

ассчитаем 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

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.