Содержание
Раздел №1. Анализ исходных данных. Проектирование функциональ- ной схемы (блок-схемы) с выработкой технического задания на каждый блок.
Раздел №2. Составление принципиальной схемы усилителя (сопрово- дить текст рисунками блоков принципиальной схемы) и расчёт необходимых для достижения задания параметров её пассивных элементов.
Раздел №3. Построение для разработанной принципиальной схемы усилителя амплитудно-частотной характеристики (с применением програм- мы MicroCAP).
Раздел №4. Подтверждение правильности выбора интегральных мик- росхем.
Список использованной литературы
Исходные данные:
Вариант №13
Uвх=1000 мВ
Кu=10
Rвх=10кОм
F1=0,05Гц
F2=400Гц
Спад АЧХ20 на нч дВ/дек
Спад АЧХ=60на вч дВ/дек
Вид АЧХ-бесс.
Iвых=10 мА
Uпит=15 В
Раздел №1. Анализ исходных данных. Проектирование функциональ- ной схемы (блок-схемы) с выработкой технического задания на каждый блок.
1.Находим мощность входного сигнала
Отметим, что максимальная мощность отдается источником входного сигнала нагрузке, когда входное сопротивление каскада равно внутреннему сопротивлению источника (Rвх = Rи).
Тогда
,где Rвх – входное сопротивление первого каскада УНЧ.
к Ом2. Находим требуемый коэффициент усиления по мощност.
В общем случае коэффициент усиления УНЧ по мощности определяется по такой формуле:
(1)де ήTвх– к.п.д. входного трансформатора, задается в пределах (0,7...0,8);
ήTвых – к.п.д. выходного трансформатора, задается в пределах (0,75...0,85);
Крег– коэффициент передачи регулятора уровня сигнала, задается в пределах (0,3...0,5).
Поскольку для выходного каскада выбрали двухтактную бестрансформаторную схему, то из формулы (1) необходимо убрать ήTвх и ήTвых.
Тогда получим:
Выразим коэффициент усиления по мощности в децибелах:
.Кр=0,97
Раздел №2. Составление принципиальной схемы усилителя (сопрово- дить текст рисунками блоков принципиальной схемы) и расчёт необходимых для достижения задания параметров её пассивных элементов.
На основании структурной схемы составим ориентировочную принципиальную схему УНЧ. Пример принципиальной схемы УНЧ приведен на рис.5. В этой схеме, каскады предварительного усиления выполнены на транзисторах VТ1-VТ3, а оконечный бестрансформаторный каскад усиления на транзисторах разного типа проводимости – VТ4, VТ5. Транзистор VT5 должен иметь такие же параметры, как и VT4, однако противоположную по типу проводимость. Каждый из транзисторов вместе с нагрузкой образуют схему с ОК. Характерной особенностью такой схемы – для нее не нужен фазоинверсный каскад.
Для обеспечения питания оконечного каскада от однополярного источника, он подключается к предыдущему каскаду и к нагрузке через конденсаторы С8, С10 . Резистор R9 является регулятором уровня выходного сигнала. Конденсатор С11 – фильтр напряжения питания каскадов предварительного усиления. Величина сопротивления резистора R14 обычно составляет несколько десятков Ом.
Оконечный каскад работает в режиме класса АВ, который задается делителем R15, R16. Прямое сопротивление диода создает необходимое напряжение смещения (около 1,5В) между базами транзисторов VT4, VT5, а также выполняет функции элемента схемы термокомпенсации. В этом случае, при изменении температуры транзисторов (это вызывает изменение контактной разности потенциалов база-эмиттер) будут пропорционально изменяться и напряжение смещения транзисторов. Небольшое значение напряжения смещения (0,6 – 0,7)В, определяет незначительный (десятки миллиампер) сквозной ток транзисторов VT4 і VT5. Ток через нагрузку при этом отсутствует. Поскольку величина сопротивления VD1 незначительна, можно считать, что по переменному току базы транзисторов VT4 і VT5 объединены.
Для предварительного усиления применяют усилители с ОЭ. В качестве активного элемента используют маломощный транзистор n-p-n типа.
Полученные в результате предварительного расчета данные являются основой для окончательного расчета УНЧ.
Схема оконечного каскада усиления на комплементарных парах транзисторов приведена на рис.1,а. Вначале все параметры выбранного транзистора необходимо выписать в виде таблицы, а затем привести его входную и выходную характеристики в масштабе, достаточном для точных графических построений.
Порядок расчета:
1. Расчет начинают с построения на семействе выходных статических характеристик транзистора (см. рис. 1) линии нагрузки, которая проходит через две точки UКЭ=ЕК/2 та ІК=ЕК/2Rн .
а) б)
Рис. 1. Характеристики режима транзистора оконечного каскада:
а) выходная;
б) входная.
2. Строят треугольник мощности со сторонами Umн, IKн и оценивают возможность получения заданной мощности – Рвых=0,5 Um н IK н .
3. Точку „а” принимают за начальную рабочую точку транзистора, в которой UКЭ0=ЕК/2; IK0 = (0,05÷0,1) IK н. Тогда ІБ0 =ІК0 /β.
4. Из семейства выходных и входных характеристик транзистора находим амплитудные значения тока базы ІБm , напряжения базы UБЭmсогласно:
; 
.Ориентировочное значение входного сопротивления транзистора составит rвх= UБЭm / ІБm .
Входная мощность каждого плеча составляет Рвх=0,5 UБЭm ІБmи равна мощности, которую необходимо отдать транзистору предпоследнего каскада.
5. Находим величины сопротивлений резисторов R1и R2.
Сопротивления резисторов R1и R2 выбирают одинаковыми:
R1= R2= (ЕК – 2UБЭ0)/2ІД ,
где ІД – ток делителя, который должен быть не меньше (2÷5) ІБ0.
6. Входное сопротивление оконечного каскада составит:
RВХ =β Rд Rн /(β Rн + Rд),
где Rд = R1 / 2 – сопротивление делителя.
7. Амплитуда входного напряжения каскада: Um.вх ≈ Umн, поскольку каскад не усиливает напряжение входного сигнала.
8. Находим емкость разделительного конденсатора в цепи нагрузки при условии обеспечения коэффициента частотных искажений Мн:
С2 ≥ 1/(2πfнRн
) . Значения получают в микрофарадах.Находим ориентировочно число каскадов усиления и составим структурную схему УНЧ.
УНЧ состоит из нескольких каскадов, которые осуществляют последовательное усиление сигнала.
Структурная схема УНЧ приведена на рис.2, где цифрами 1-3 обозначены каскады предварительного усиления, а цифрой 4 – выходной (оконечный) каскад.
UВХ
1
2
3
4
RН
Рис. 2. УНЧ. Схема структурная
Для предварительного усиления, как правило, применяют усилители с ОЭ. При определенных условиях можно считать, что каждый усилитель по схеме с ОЭ обеспечивает усиление мощности приблизительно на 20 дб.
Тогда
m = Кр[дб] /20.
Полученные значения m округляем до ближнего большего целого.
Поскольку бестрансформаторные оконечные каскады чаще строят по схеме с ОК, которые не имеют усиления по напряжению, то можно считать величину их усиления по мощности равной 10 дб.
В таком случае усиление в схеме УНЧ составит: Кр[дб]= 20 m+10.
Применение операционных усилителей
Рассмотрим аспекты применения разнообразных усилителей. Но главным образом мы будем рассматривать применение ОУ, так как именно они чаще всего используются в современной электронике. Начнём именно с них. Обозначаются операционные усилители так же, как и обычные усилители – треугольником, но у ОУ два входа, и один с инверсией:
Обычно слева два входа, которые различаются наличием или отсутствием кружочка, обозначающего инверсию (иногда внутри треугольника вместо кружочка пишут + и – соответственно у неинвертирующего и инвертирующего входов). Справа обычно обозначается выход ОУ. Иногда на схемах больше ничего нет, но на самом деле есть ещё и питание (+Еп и –Еп), оно обычно обозначается сверху и снизу. Кроме того, у современных ОУ есть ещё и баланс нуля, обычно два провода снизу, и провод для подключения коррекции. Ещё может быть контакт для земли, хотя он редко бывает необходим. Обычно это всё, но может быть и что-то ещё. На реальных схемах вместо слов обычно пишут номера контактов. Как мы видим, на этой схеме всего 8 контактов, вместо 12х3=36 у 12 транзисторов, а у всех элементов порядка 50...100. В этом главное преимущество микроэлектроники, так как надёжность (интенсивность отказов) главным образом определяется именно количеством контактов.
Как же сделать схему усилителя на ОУ? Очевидно, надо подать на неинвертирующий вход сигнал, а с выхода часть сигнала подать на инвертирующий вход. Получится схема:
Так как ОУ обладает большим Кос, можно считать, что глубина обратной связи большая, и коэффициент усиления этой схемы равен
Но В в данном случае равно падению напряжения на R1, которое
возникает из-за протекания тока по цепи Roc-R1:
Следовательно,
Это очень важная формула, она говорит, что Кос не зависит от К0 (когда глубина ООС большая), а зависит только от соотношения величин сопротивлений Rос и R1. Такой усилитель называется неинвертирующим. Если Roc=0 , или выходной сигнал подаётся прямо на вход, то Кос=1. Это – повторитель сигнала. Его суть состоит в согласовании входных и выходных сопротивлений. Это последовательная связь по напряжению, значит, входное сопротивление очень велико, а выходное – очень мало.
Теперь рассмотрим инвертирующий усилитель (см. на рис.). Нам теперь трудно определить коэффициент обратной связи В. Но можно найти другой способ рассуждения. Как мы видели из предыдущей лекции, при ООС Uвх0=Uвх/F . Даже если Uвх велико, например, 10 В, Uвх0 всё равно очень мало.
Пусть F=100, тогда это 0,1 В, а если F=1000, то это всего 10 мВ. Ну а при нормальных входных сигналах, которые обычно малы, например, 0,1 В, Uвх0 вообще мало, и равно 1...0,1 мВ. Обычно считают, что это заземление, хотя никакого заземления нет. Говорят, что на инвертирующем входе "псевдоземля" или что это "виртуальная земля".
Причина этого заключается в том, что выходное напряжение не может превышать напряжение питания. Если выходное напряжение должно быть больше, усилитель не работает, так он находится "в зашкале". Напряжение питания обычно 10...30 В, а коэффициент усиления 1000...1000000. Другими словами входное напряжение не должно превышать напряжение 30 мкВ ... 30 мВ. Мы можем это считать псевдоземлёй.
Теперь давайте рассмотрим протекание тока в точке соединения сопротивлений. Слева втекает входной ток Iвх, справа вытекает ток обратной связи Iос, и ещё возможен ток, протекающий к инвертирующему входу ОУ. Но последний очень мал. Дело в том, что входное сопротивление ОУ обычно высокое, а может быть даже очень высокое, а входное напряжение очень мало. Поэтому этот ток измеряется нано- и даже пикоамперами, и мы можем смело им пренебречь (на рис. этот ток перечёркнут).
Итак, есть только два тока: Iвх и Iос. Конечно, они должны быть равны друг другу:
Подставим их значения:
Вспомнив, что Кос=Uвых/Uвх, получим
Итак, мы получили коэффициент усиления с инверсией, что естественно, но на единицу меньше, чем у неинвертирующего усилителя на ОУ. Если Roc=R1, то Кос= -1, то-есть у нас получился инвертор.
Последний результат очень важен. То, что у нас есть псевдоземля, значительно упрощает расчёт коэффициента усиления: мы берём входной сигнал (напряжение входа) и делим его на входное сопротивление. Получаем ток, который равен току выхода. Если умножить его на сопротивление обратной связи, то получим выходное напряжение (с минусом).
Этот подход легко можно использовать при функциональных преобразованиях. Возьмём, например, вместо входного сопротивления диод:
Тогда входной ток определяется уравнением:
Отбрасывая второе слагаемое I0, так как это малая величина по сравнению с первым, и умножая на Roc , получаем:
Первое слагаемое – константа, а второе с точностью до постоянного множителя RocI0 является как раз экспонентой.
Теперь давайте посмотрим, что получится, если диод поставить в другое место, туда, где стоит сопротивление обратной связи:
Теперь выражения для токов будут:
Решив это уравнение относительно Uвых, получим:
То есть мы получили логарифмирующий усилитель. Можно ли сделать суммирование? Да, это возможно:
Здесь входные токи равны входным напряжениям, делённым на входные сопротивления. Далее эти токи суммируются и приравниваются к выходному току, равному отношению выходного напряжения к сопротивлению обратной связи:
Умножив всё на Roc, получим:
Если все сопротивления одинаковы, формула упрощается:
Есть ещё две интересные схемы с конденсатором вместо входного сопротивления или конденсатором в цепи обратной связи:
Как известно, напряжение на конденсаторе определяется по формуле (для левой схемы):
где Q – заряд конденсатора. Если заряд конденсатора продифференцировать, то получится ток через конденсатор:
Приравнивая это току цепи обратной связи, получим формулу:
На следующих рис. представлены графики
На левом рисунке представлены зависимости от времени входного и выходного сигнала. На правом рис. частотная зависимость для дифференцирующего усилителя.
Легко понять, что на правом рис. (выше) показан интегратор. Для него графики будут обратными:
Раздел №3. Построение для разработанной принципиальной схемы усилителя амплитудно-частотной характеристики (с применением програм- мы MicroCAP)
С целью повышения коэффициента усиления УНЧ в широком диапазоне пропускания частот используют операционный усилитель. В нем обеспечивается непосредственная, емкостная или трансформаторная связь между каскадом и нагрузкой.
Примеры схем, построенных на операционном усилителе.
Функциональная схема избирательного усилителя на колебательных контурах показана на рисунке.
Избирательный усилитель на колебательных контурах
Усилитель состоит из трех каскадов на транзисторах VT1-VT3, включенных по схеме с непосредственной связью, причем транзисторы VT1 и VT3 включены по постоянному току последовательно. Дроссель L1 служит для подачи смещения на базу VT1, а его индуктивность выбирается такой, чтобы индуктивное сопротивление на частоте сигнала было в несколько раз большим, чем входное сопротивление транзистора VT2. Второй дроссель L2 служит в качестве коллекторной нагрузки VT1, а его индуктивное сопротивление на частоте сигнала также должно быть намного больше входного сопротивления транзистора VT2. Эмиттер транзистора VT1 заземлен, поэтому он образует первый каскад усиления по схеме с ОЭ. Усиленный первым каскадом сигнал выделяется на параллельно включенных по высокой частоте дросселях L1 и L2 и подается на базу второго каскада усиления на транизторе VT2, также включенного по схеме с ОЭ. Усиленный вторым каскадом сигнал выделяется на нагрузке R и поступает на базу третьего транзистора VT3, который образует третий каскад усилителя. Конденсатор C2 является блокировочным, поэтому эммиттер транзистора VT3 по высокой частоте заземлен, и он оказывается включенным также по схеме с ОЭ. Выходной сигнал усилителя выделяется на контуре Q2, к которому подключается выходная нагрузка.
Таким образом, все три транзистора в рассматриваемом усилителе включены по схеме с ОЭ и образуют высокочастотный усилитель ОЭ-ОЭ-ОЭ, имеющий наибольший коэффициент усиления по сравнению с другими схемами включения транзисторов в трехтранзисторных усилителях.
Усилитель обладает высокой стабильностью параметров в широком диапазоне температур, что объясняется особенностями схемы включения транзисторов по постоянному току.
Особенностью работы каскада на транзисторе VT1 усилителя является равенство нулю напряжения. Это, однако, не отражается на его усилительных свойствах, так как он работает в линейном режиме. Однако при столь низком напряжении линейность передаточной характеристике транзистора VT1 сохраняется только для малых входных сигналов, что в рассматриваемом усилителе не имеет существенного значения из-за его высокого коэффициента усиления.
Измерительный усилитель представляет собой ОУ или схему с ОУ, используемые для измерения малых разностей напряжения на фоне синфазного напряжения, которое часто бывает больше, чем измеряемое разностное напряжение. На рисунке 4, приведена схема измерительного усилителя на трех ОУ.
Схема измерительного усилителя на трех ОУ
Дифференциальный усилитель - электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей. Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада. Транзисторы дифференциального усилителя могут быть биполярными, полевыми или баллистическими. Наиболее высокочастотными (ТГц диапазон) являются дифференциальные усилители на интегральной паре баллистических транзисторов.
Согласно техническому заданию коэффициент усиления УНЧ:
.Исходя из этого, подбираются ОУ с коэффициентом усиления не менее 9000 на верхней граничной частоте.
При выборе интегральной микросхемы ОУ необходимо соблюдать следующие соотношения между параметрами ОУ и параметрами усилителя заданного в техническом задании.
— максимальное выходное напряжение ОУ:
, т.е. 
;— входное сопротивление ОУ:
, т.е. 
— температурный рабочий диапазон ОУ:
от
до 
, т.е. от 
до 
;— выходной ток:
; 
мА;Раздел №4. Подтверждение правильности выбора интегральных мик- росхем
Моделирование спроектированного УНЧ было произведено с помощью программы схемотехнического моделирования Micro-CAP 9.
Первым этап моделирование является непосредственный набор схемы проектируемого устройства. Для этого в базе элементов ищем необходимые нам элементы и переносим их на рабочую область. Элементы находятся в меню «Компоненты», где они разбиты по категориям (рисунок 10).
Рисунок 10 - Меню «Компоненты»
При вставке элемента на рабочую область в появившемся окне вписываем полученные при расчетах необходимые значения (для конденсатора - емкость, для резистора - сопротивление и т.д.).
Далее набранные элементы соединяются между собой ортогональными проводниками, выбор которых осуществляется на панели инструментов (рисунок).
Панель инструментов МС
Схема УНЧ, реализованная в Micro-CAP 9
Следующим шагом является выполнение анализа АЧХ. Для это необходимо выбрать меню «Анализ» на панели инструментов, затем «Частотный анализ (АС)». В появившееся окно вводят необходимые параметры (рисунок).
Установка частотного анализа
Итогом проделанных операций является АЧХ проектируемого устройста (рисунок), т.е. усилителя напряжения низкой частоты.
Реальная АЧХ проектируемого УНЧ
В результате анализа данной схемы на ЭВМ был получен следующий график амплитудно-частотной характеристики усилителя низких частот.
Как видно из графика коэффициент усиления составляет 76,8 дБ, что соответствует заявленному и не превышает погрешность более чем в 5%. Отклонение на частоте 80 Гц 1,9 дБ, а на частоте 12000 Гц 2,42 дБ.
Погрешности моделирования рассчитываем по следующим формулам:
Погрешность коэффициента усиления:
где
-относительная погрешность коэффициента усиления, %;
- абсолютная погрешность коэффициента усиления, В;
- коэффициент усиления, полученный при моделировании, В;
- расчетное значение коэффициента усиления, В.
Погрешность нижней частоты среза
где
- относительная погрешность нижней частоты среза, %;
- абсолютная погрешность нижней частоты среза, Гц;
- нижняя частота среза, полученная при моделировании, Гц;
- заданное значение нижней частоты среза, Гц.
Погрешность верхней частоты среза:
,где
- относительная погрешность верхней частоты среза, %;
- абсолютная погрешность верхней частоты среза, кГц;
- верхняя частота среза, полученная при моделировании, кГц;
- заданное значение верхней частоты среза, к Гц.
.Погрешности коэффициента усиления, нижней и верхней частот среза не превышают 5%, что удовлетворяет требованию разрабатываемого устройства УНЧ.
Литература
1. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств/ Под ред. А.А. Ровдо.– М., 2001.–368 с.
2. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника ( Полный курс): Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий и др. –Телеком, 1999.
3. Справочник по расчету электронных схем./ Б.С. Гершунский. – Киев: Высшая школа; Изд-во при Киев. ун-те, 1983. – 240 с.
4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника.– М.: Высшая школа, 1991.
5. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум./За ред. А.Г. Соскова. – К.: Каравела, 2003.– 368 с.