Федеральное агентство по образованию

 

ГОУ ВПО  «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ» 
 

Кафедра Электротехники

КУРСОВАЯ  РАБОТА 

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Электротехника и электроника» 

Тема: Разработка и расчет электронного устройства 
 
 
 
 
 

Красноярск, 2008 год

 

    Задание: 

      1. Выбрать и рассчитать схему  усилительного устройства, описать  принцип ее  работы.

      Дано:

• Напряжение генератора, Е_г                                       0,25 В;
• Сопротивление генератора, R_г                               1  кОм;
• Сопротивление нагрузки, R_н                                  40  Ом;
• Мощность нагрузки, Р_н                                           0,5  Вт;
• Тип фильтра                                                               ППФ;
• Тип аппроксимации фильтра                         Баттерворта;
• Порядок фильтра                                                     4;
• Нижняя частота пропускания фильтра, f_н                95  Гц;
• Верхняя частота пропускания фильтра, f_в               105  Гц;

 

      2. Произвести выбор и расчет  блока питания для электронных  устройств, описанных в первых двух частях.

 

Содержание 

 

 

Реферат  

    В данной курсовой работе необходимо спроектировать усилительное устройство и источник питания.

    В первой части работы описан расчет и подборка микросхем для проектирования усилительного устройства.

    Во  второй части работы описаны расчет выпрямителей, силового трансформатора и выбор стабилизатора для проектирования источника питания.

    Всего в данной курсовой работе используется 3 таблицы, 58 вычислительных формул, 10 рисунков, 1 приложение.

    Для написания программного кода к вычислению сложной вычислительной формуле использовался язык Pascal. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Проектирование  усилительного устройства. 

1. Структурная схема усилителя

      Исходными данными  для разработки усилителя являются: ЭДС источника сигнала – Е_г; его внутреннее сопротивление – R_г; мощность в нагрузке – Р_н; наличие в составе усилительного устройства фильтра заданного порядка и аппроксимации с требуемыми частотными характеристиками.

Рисунок 1 - Структурная схема усилительного  устройства. 

- Входной  каскад (ВК) предназначен для согласования источника сигнала с усилительным устройством.

- Усилитель  напряжения (УН) усиливает входной  сигнал до необходимого уровня.

- Активный  фильтр (АФ) формирует заданную частотную  характеристику устройства.

- Усилитель  мощности (УМ) служит для создания в нагрузке требуемой мощности усиливаемого сигнала. 

      1.2. Определение основных  параметров усилителя

    Прежде  всего по исходным данным необходимо определить основные параметры усилительного  устройства:

- входное  сопротивление усилителя R_вх, которое нужно оптимальным образом согласовать с источником сигнала:         

                                  R_вх=(10-100)R_г                                                          (1)

R_вх=50·1000=50 кОм.

где R_г - внутреннее сопротивление источника сигнала, Ом; 

- действующее  значение напряжения в нагрузке - U_н. и общий коэффициент усилителя устройства по напряжению - K_u определяются по формулам:   K_u=U_н/E_г,    где U_н имеем

K_u /E_г                                     (2)

K_u=√0,5·40/0,25=9,

где E_г- ЭДС источника сигнала, В;

P_н- мощность нагрузки, Вт;

      R_н- Сопротивление нагрузки, Ом

    Поскольку K_u < 10, то усилитель напряжения из схемы можно исключить, а требуемое усиление получить в усилители мощности. 

3. Выбор схемы входного каскада.

    Для правильного выбора  схемы ВК нужно учитывать два основных фактора: требуемое входное сопротивление  и частотную характеристику всего  усилителя, которая зависит от фильтра.

    Поскольку задан полосовой фильтр то возможно применение эмиттерного или истокового повторителя напряжения.

    Поскольку выбранное входное сопротивление  составляет 50 кОм необходимо применение истокового повторителя напряжения. Его принципиальная схема приведена на рисунке 2.

      

    Рисунок 2 – Схема истокового повторителя. 

    Данная  схема обладает относительно большим входным сопротивлением. Также преимуществом является то, что она существенно уменьшает входную ёмкость каскада. 

4. Выбор и расчет параметров входного каскада

    Принимаем стандартное напряжение питания  каскада U_п=12В.

    Принимаем к установке кремневый планарно-эпитаксиальный полевой транзистор с каналом типа n и диффузионным затвором марки КП303А, его характеристики таблица 1:

    Таблица 1. Характеристики кремневого планарно-эпитаксиального полевого транзистора марки КП 303А

    Задаем  значение тока стока в рабочем  режиме, по условию I_са<I_сн, принимаем I_са=1мА. Из передаточной характеристики [1, рисунок 55, стр. 42] определяем требуемое напряжение затвор-исток, которое должно подаваться на затвор полевого транзистора для задания рабочей точки каскада: U_зиа=0,2В.

    Находим величину сопротивления R_и, по формуле:

                                                     R_и= U_зиа/I_са;                                               (3)

    R_и=0,2/10^-3=200 Ом. 

    Выбор значения резистора R_з в значительной мере может быть произвольным, при этом надо помнить, что оно определяет входное сопротивление каскада, принимаем R_з=R_вх.

    Производим  расчет блокировочных конденсаторов  по формулам:

                                                 С_вх ≥ 1/(2πf_н(R_г+R_вх));                                     (4)

                                                  С_вых ≥ 1/(2πf_н(R_вых+R_н));                                 (5)

    где f_н- нижний предел частотной характеристики, Гц;

           R_н- сопротивление нагрузки, Ом;

           R_вых- выходное сопротивление каскада, R_вых=1/S;

           R_вх- входное сопротивление каскада, R_вх= R_з;

           R_г- сопротивление источника сигнала, Ом;

    R_вых=1/2,5·10^-3=400 Ом;

    С_вх=1/(2·3,14·95(1000+50000))=32·10^-9Ф;

    С_вых=1/(2·3,14·105 (400+40))=3,4·10^-6Ф;

    Принимаем стандартные большие значения: С_вх =33 нФ, С_вых=5 мФ.

    Производим  корректировку общего коэффициента усиления:

                                                       К_u’=К_u/К_п;                                                (6)

    где К_п- коэффициент передачи входного каскада;

                                                      К_п=U_s/(U_s+1);                                            (7)

                                            U_s=(2·|U_зиа|/|U_отс|)·√I_сн/I_са;                                    (8)

    U_s=(2·0,2/1,2)·√1,5/1=0,4;

    К_п=0,4/(0,4+1)=0,29;

    К_u’=9/0,29=31. 

      1.5. Расчет элементов активного фильтра

    Поскольку f_в/f_н<5, то полосовой фильтр будем строить последовательного соединения двух узкополосных фильтров имеющих небольшой взаимный сдвиг частотных характеристик.

    Определяем  среднюю частоту настройки фильтра  и относительную полосу пропускания: 

                                                  f₀=(f_в+f_н)/2;                                               (9)

                                                 ΔΩ=(f_в-f_н)/f₀;                                            (10) 

      f₀=(105+95)/2=100 Гц;

      ΔΩ=(105-95)/100=0,1; 

      По [2, таблица1, стр. 11] для фильтра Баттерворта 4-го порядка определяем коэффициенты аппроксимации. Для первого звена  b₁=0,7654 c₁=1,0000, для второго звена b₂=1,8478 c₂=1,0000.

      Для расчета коэффициента а, который  находится из уравнения:

                                a²+(a·ΔΩ·b/c·(1+a²))²+1/a²-2-(ΔΩ)²/c=0;                       (11)

была использована программа, текст которой приведен в приложение 1. По результатам программы, а=0,9547.

      Вычисляем добротность фильтров, которые нужно  включить последовательно:

                                                    Q=(1+a²)·c/(a·b·ΔΩ);                                       (12)

Q₁=(1+0,9547²)·1,0000/(0,9547·0,7654·0,1)=26,158;

Q₂=(1+0,9547²)·1,0000/(0,9547·1,8478·0,1)=10,835.

      Находим параметры звеньев ППФ. Частоты настроек первого и второго звеньев будут равны:

                                                            f_р1=f₀/а;                                                      (13)