Выбор и расчет элементов функциональной схемы

Аннотация

 

Аксенов А.Ю. Усилитель низкой частоты: Пояснительная записка к курсовой работе по курсу "Электронные устройства автоматики".

Челябинск: ЮУрГУ, 2000. – 20с.

В курсовом проекте рассматривается построение электронного устройства. Этот курсовой проект является одним из способов решения конструирования усилителя низкой частоты. Многие решения реализации функциональных блоков заимствованы из уже существующих реальных схем, поэтому многие данные приводятся на основе опытных данных. В основе данного курсового проекта лежит усилитель мощности звуковой частоты, построенный на транзисторах с n-p-n и p-n-p переходами.

Помимо расчетов принципиальной схемы в данной работе также представлены принципиальная схема, один из вариантов расположения элементов на плате и разводка к ним, спецификация элементов.

Проект реализован в программной среде Word 97, все расчеты произведены в программном пакете Mathcad pro 7.0, моделирование схемы произведено в среде Electronics Workbench. Для разводки платы использованы программные пакеты Orcad Captur 7.2, Layoute Plus 9.0.

Ил. 10 , список лит. – 11 назв.

Содержание

 

Введение.

1. Обоснование и выбор функциональной схемы устройства

2. Выбор и расчет функциональной схемы

2.1 Входной усилитель

2.2 Регулятор уровня

3. Предварительный усилитель и усилитель мощности

4. Выбор обратной связи и операционного усилителя для ВУ и ПУ

5. Источник питания

6. Питание операционных усилителей

7. Заключение

8. Список литературы

Введение

 

Задачей курсового проектирования является закрепление теоретических положений курса электронных устройств, а также углубление и приобретение новых знаний при самостоятельной работе с литературными источниками, приобретение навыков практического проектирования конкретных электронных устройств, в том числе с применением ЭВМ.

В настоящее время для инженерных расчетов широко применяются различные пакеты прикладных программ ориентированных на разные виды расчётов. В курсовой работе для расчетов использовались следующие пакеты:

-MathCad 8.0 – для проведения расчетов пояснительной записки.

-Electronics WorkBench 4.1 – для моделирования рассчитанных узлов.

-OrCad 7.00 – для построения принципиальной схемы всего устройства

-для создания чертежей по соответствующим ГОСТам.

-Microsoft Word 97 – для написания пояснительной записки.

1. Обоснование и выбор функциональной схемы

 

Низкочастотный усилитель проектируется на основе входного усилителя, предварительного усилителя и усилителя мощности. Для обеспечения нужной величины входного сопротивления и коррекции искажений частотной характеристики используется входной усилитель. Для обеспечения качественных показателей выходного сигнала используется усилитель мощности с глубокой отрицательной обратной связью. Для обеспечения блоков аппаратуры выходными напряжениями (токами) заданного номинала и качества используется источник питания. Функциональная схема усилителя низкой частоты представлена на рис.1.

Рис. 1

ВУ – входной усилитель;

РУ - регулятор уровня;

ПУ – предварительный усилитель;

УМ – усилитель мощности;

ЦООС – цепь частотно-зависимой обратной связи;

 

На усилитель мощности поступает сигнал от источника поступает через разделительную емкость (Cр) с входного усилителя (ВУ), который служит для обеспечения заданного входного сопротивления (Rвх). Разделительная емкость необходима для уменьшения дрейфа нулевого уровня выходного напряжения. Для регулирования величины выходного напряжения сигнал с входного усилителя поступает на регулятор уровня (РУ).

Источник питания является выпрямительным устройством и состоит из четырех узлов: трансформатора, вентильного комплекта (диодная схема), сглаживающего фильтра и стабилизатора постоянного напряжения.

Трансформатор необходим для получения заданного напряжения.

Вентильный комплект необходим для выпрямления переменного напряжения. В качестве выпрямителя использую однофазную мостовую схему. Схема применяется на выходные мощности до 1кВТ.

Преимущества схемы : повышенная частота пульсаций , низкая величина обратного напряжения , хорошее использование трансформатора .

Недостатки : необходимость в четырех вентилях , повышенное падение напряжения на вентильном комплекте .

Сглаживающий фильтр используется для ослабления пульсаций. Используем конденсатор.

 

Выбор и расчет элементов функциональной схемы

Входной усилитель

 

Входной усилитель должен обеспечить входное сопротивление, заданное в техническом задании, коррекцию искажений частотной характеристики и предварительное усиление полезного сигнала. В качестве входного усилителя выберем схему неинвертирующего усилителя на операционном усилителе (рис.2).

 

Рис. 2

 

Найдем напряжение, подаваемое на входной усилитель

 

 (2.1)

 

Коэффициент усиления по напряжению всей схемы определится как:

 

 (2.2)

 

Пусть входной усилитель обеспечивает усиление входного сигнала по напряжению до 2 В, а также обеспечивает входное сопротивление устройства Rвх=0,1 МОм.

 

 (2.3)

 

Рассчитаем сопротивления обратной связи

 

, (2.4)

 

т.о. согласно ряду Е24: , .

Конденсатор С₂ уменьшает коэффициент усиления ВУ на частотах меньше нижней граничной, поэтому выбираем его номинал из условия:

 

 (2.5)

 

В полосе пропускания входное сопротивление ВУ Rвх = R₁ïç(Rоудиф + R₂) @ R₁.

Разделительную емкость Ср1 выберем исходя из нижней граничной частоты:

 

, (2.6)

 

Для того чтобы искажения на нижней граничной частоте были меньше увеличим емкости конденсаторов: , .

Выберем операционный усилитель. Основным параметром для выбора ОУ является частота единичного усиления. Исходя из того, что верхняя граничная частота входного сигнала f_max= 200 кГц и спад логарифмической АЧХ операционных усилителей в области верхних частот составляет –20 дБ/дек, то для ВУ необходим операционный усилитель с частотой единичного усиления fед ³ f_max*Ku = 0.96 МГц. Скорость нарастания выходного напряжения операционного усилителя должна удовлетворять величине выходного сигнала на верхней граничной частоте:

 

V_Uвых ³ 2*p*f_max*Uву (2.7)

V_Uвых ³ 2,513 В/мкс.

 

Согласно этим требованиям выберем операционный усилитель 140УД26А.

Параметры операционного усилителя:

напряжение смещения: 0.03 (мВ);

входной ток: 40 (нА);

напряжение питания:  15В;

ток потребления: 4.7 (мА);

максимальное выходное напряжение: 13.5 (В);

максимальный выходной ток: 10 (мА);

скорость нарастания выходного сигнала: 11 ;

входное сопротивление: 10 (МОм);

выходное сопротивление: 200 (Ом).

частота единичного усиления 16 МГц

Рис. 3 Логарифмическая частотная характеристика входного усилителя

Регулятор уровня

 

Регулятор уровня необходим, чтобы обеспечить заданный в техническом задании диапазон регулирования выходной величины, равный -40% от максимального значения. Выберем схему регулятора уровня, представленную на рис.4.

 

Рис. 4

 

Сопротивления резисторов R4 и R5 находятся в следующей зависимости:

 

.                                                                      (2.8)

 

Из этого выражения находим R4 = 40 кОм, R5 = 60 кОм. Величина разделительной емкости C3 и резистора R6 находится из передаточной функции, которую они образуют:

 

. (2.9)

 

Таком образом минимальная частота  должна быть меньше или равна .

 

, (2.10)

 

Отсюда R6=200 кОм C3=1,5 мкФ. Коэффициент передачи регулятора уровня на заданном интервале частот равен единице.