Проектирование усилителя электрических сигналов первичных измерительных преобразователей систем автоматического управления

 

 

 

 

МО УКРАИНЫ

 

 

Севастопольский государственный

технический университет

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К

 

К У Р С О В О МУ    П Р О Е К ТУ

 

 

“Проектирование усилителя электрических сигналов

первичных измерительных преобразователей

систем автоматического управления.”

 

 

 

 

 

 

 

Допущено к защите    Выполнил:

 

ст. гр. А-32д

                                                                                       

                                                                                                 

Оценка     Проверил:

 

доцент

 

 

 

 

Севастополь      1999  год

 

 

 

 

 

Содержание :

 

 

 

                    1 . Техническое задание ______________________________3

 

                    2 . Введение _________________________________________5

 

                    3 . Постановка задачи________________________________6

 

                    4 . Выбор элементной базы____________________________7

 

              5 . Расчет  оконечного  каскада ________________________8

 

              6 . Расчет предоконечного каскада _____________________13

 

              7. Расчет входного каскада ____________________________19

 

                     8. Расчет межкаскадных связей _______________________21

 

                     9. Расчет надежности _______________________________22

 

                    10. Заключение _______________________________________23

 

                    11. Литература ______________________________________24

 

                    12. Приложение1______________________________________25

 

        13. Приложение2______________________________________26

 

        14. Приложение3______________________________________27

 

        15. Приложение4______________________________________28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

                  Усилители звуковой частоты предназначены для  усиления  непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит в  пределах от десятков герц до десятков килогерц. Современные УНЧ выполняются преимущественно на биполярных и  полевых  транзисторах в дискретном или интегральном исполнении.  Назначение УНЧ в конечном итоге состоит в получении  на  заданном сопротивлении оконечного нагрузочного  устройства  требуемой мощности усиливаемого сигнала.

                 В качестве источника входного  сигнала  УНЧ  могут  использоваться  такие устройства как микрофон, звукосниматель, фотоэлемент, термопара, детектор и т.д. Типы  нагрузок  также  весьма разнообразны. Ими  могут быть  громкоговоритель,  измерительный прибор, записывающая головка магнитофона,  последующий  усилитель, осциллограф, реле и т.д.  Большинство из перечисленных выше источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать  его  непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла,  так  как при таком слабом управляющем  напряжении  невозможно  получить сколько-нибудь значительное изменения выходного тока, а следовательно, и выходной мощности. Поэтому  в  состав  структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего  требуемую мощность полезного сигнала в  нагрузку,  как  правило,  входят предварительные каскады усиления.  Основными техническими полазателями  УНЧ  являются:  коэффициенты усиления (по напряжению, току и  мощности),  входное  и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент  полезного  действия,  номинальное  входное  напряжение    (чувствительность), диапазон усиливаемых частот,  динамический  диапазон амплитуд и уровень собственных помех, а также  показатели, характеризующие нелинейные, частотные и фазовые искажения усиливаемого сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

 

                Расчет любого сложного электронного  устройства (ЭУ)  сводится к последовательному  расчету функциональных элементов.  Расчет ЭУ, состоящего из ряда  последовательно  соединенных  функциональных элементов, начинают со стороны его выхода, с  конца. Выходной функциональный элемент - единственный в  ЭУ,  для расчета которого в техническом задании  сформулированы  достаточные требования. Расчет ЭУ часто имеет  итерационный  характер. После выполнения ряда расчетных операций возникает  необходимость повторить предыдущие операции для улучшения структуры или режимов всего ЭУ или его функциональных частей.  Например, расчет может  показать  необходимость  введения  дополнительных обратных связей, что, собственно,  потребует  повторения некоторой  части  расчетов.

 Детальному  расчету  функциональных элементов  должны предшествовать  ориентировочный  расчет значений выходных параметров  тех функциональных элементов, которые определяют значение выходных параметров всего ЭУ. Это позволяет достаточно быстро оценить  практическую  возможность их реализации. Например, перед тем  как  рассчитывать  каскады многокаскадного усилителя, необходимо распределить между  ними все виды искажений, определить их коэффициенты усиления и  полосы пропускания. Если полученное значения представляются достижимыми, то можно переходить к расчету функциональных элементов.

При проектировании ЭУ наиболее часто выполняют:

а) ориентировочный расчет выходных  параметров  функциональных элементов, производимых при выборе их принципиальных схем;

б) расчеты, на основе которых выбирают типы активных  электрорадиоэлементов;

в) расчеты рабочих режимов активных ЭРЭ, включая расчет температурной нестабильности;

г) расчет значений параметров R,C,L пассивных  ЭРЭ,  обеспечивающих выбранные режимы активных ЭРЭ, а также расчет протекающих через пассивные ЭРЭ токов, падающих на  них  напряжений  и рассеиваемых ими мощностей;

д) определение номинальных значений параметров пассивных ЭРЭ и выбор их типов;

е) расчет выходных параметров ЭУ с целью проверки их  соответствия требованиям технического задания.  Задача анализа наиболее ответственная, его  результаты  должны быть достаточно точными. Поскольку аналитические методы не обеспечивают требуемой точности, анализ электронных схем  чаще производится или на физической модели, или на ЭВМ.

 

 

 

 

 

 

 

ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

 

 

 

            Предположительно усилитель низких  частот будет реализован на  трёхкаскадной структуре. Оконечный каскад я предварительно я планирую реализовать на паре комплиментарных транзисторов со схожими характеристиками и близкими по значению параметрами.

 

            Предоконечный каскад, является  связующим между оконечным и  входным, так как может быть, что входное сопротивление оконечного каскада будет очень мало. Предоконечный каскад будет реализован на базе какого-нибудь транзистора. Входной каскад будет основываться на ИМС, которая будет выбрана в ходе расчётов.

   

             Между полученными каскадами я размещу разделительные конденсаторы, чтобы предотвратить попадание постоянных составляющих из одного каскада в другой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. РАСЧЁТ ОКОНЕЧНОГО  КАСКАДА

 

 

 

          1.1.Выбор транзисторов, по допустимой мощности рассеяния на коллекторе, и максимальной амплитуде коллекторного тока:

 

Pmax³(0.25¸0.3)Pвых      Рmax³(0.275¸0.33) (Вт)

 

По этим параметрам выбираем транзисторы для оконечного каскада:

            КТ814А и КТ815А ниже приведены их параметры:

 

              Ikmax = 1.5 (A)                                                          Uкэmax = 25 (B)

              Pkmax = 1 (Bт)                                                          h21  = 40 - 70

 

 

          1.2.Выбор источника питания:

 

              Е ³ 2(Uнач + U mн) = 9 (B)     Еп ³ 2(0,5 + 3,92)=8,84 (В)

              Еп ³ 8,84 (В) следовательно выбираем питание Еп=9 (В)

 

            1.3.Графоаналитический метод:

 

      Uкэ= Еп/2=9/2=4,5 (B)                        Iк=Еп/2Rн=9/(2*7)=0,64 (A)

 

В системе координат выходной характеристики строим треугольник мощности: прямая Uнач. отсекает область существенной нелинейности токов базы, от Uнач. откладываем величину Uкэ, затем соединяем точки Iк и Uкэ.  Далее строим Рк доп- нагрузочная кривая, которая в данных расчётах не должна заходить в область треугольника мощности, но максимально приближаться к нему. Из этого следует, что транзисторы работают без радиаторов.

 

 

 

               РИС.1Семейство выходных характеристик транзистора КТ814(815)А

 

 

                   РИС.2 Входная характеристика транзистора  КТ814(815)А

 

 

 

             1.4. Определяем рабочую область  по входной характеристике.

 

   Iбmin=0,25 (mA)              Uэб0=0,7 9 (B)

Iбmax= 15 (mA)          Uэбmax=0,87 (B)

   DImб= 14,75 (mA)             Umб=0,17 (B)

       

        1.5.Определяем глубину ООС:

 

F=1+g21*Rн  ,где g21 усреднённая крутизна характеристики транзистора.

F=1+3,29 *7=24,03

 

         1.6. Рассчитаем делитель напряжения для выходного каскада:

 

Iдел=(3¸5)Iб0;   Iдел=(0,75¸1,25) (mA)

 Следовательно выбираем ток делителя равный   Iдел=0,75 (mA)

 согласно ряда Е24

Iдиода= Iдел+Iб0;                  Iдиода=0,75+0,25=1 (mA)

 

При этих токах падение напряжения на диодах должно составлять:   2 Uэб0=1.4 [B]

Включение двух диодов КД-514А последовательно, обеспечат требуемое падение напряжения.

 

 

РИС.3 Вольтамперная характеристика диода КД-514А.

 

         1.7.Расчёт входного сопротивления с учётом ООС:

 

;       где  ;     

              

 

 

         1.8.Расчитаем амплитудные значения на входе:

 

;    ;

                       

 

         1.9.Построим сквозную характеристику:

Выбираем Rг=150 (Om)

 

Iб, (mA)	Iк, (mA)	Uэб, (B)	Iб* Rг  (B)	Eб= Iб * Rг + Uэб, (B)
0.25	20	0.7	0,0375	0,737
1	65	0,77	0,15	0,92
2	130	0,8	0,3	1,1
5	305	0,83	0,75	1,58
7	380	0,85	1,05	1,9
10	480	0,86	1,5	2,36
15	560	0,87	2,25	3,12

 

 

По сквозной характеристики определяем:

 

I1=560 (mA)

I2=360 (mA)

 

Отсюда следует:

 

Задаём коэффициент асимметрии плеч который равен Х=0.5, тогда  коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике: