ЗМІСТВСТУП ..................................................................................................................... 21 РОЗРАХУНОК НЕВІДОМИХ ВЕЛИЧИН ТАБЛИЦІ ..................................... 32 РОЗРАХУНОК ВХІДНОГО КАСКАДУ ........................................................... 43 РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ КАСКАДІВ ........................................ 9ВИСНОВКИ........................................................................................................... 19СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ............................................................. 20ДОДАТКИ.............................................................................................................. 21КР.АУ- 0 .00.000 ПЗЗмн. Лист № докум. Підпис ДатаРозроб. Літ. Арк. АкрушівПеревір. Євчук Розробка підсилювача електричних 1 23Реценз. сигналівН. Контр. Рудзінський ІФНТУНГЗатверд.ВСТУПНе дивлячись на те, що за останні роки основним напрямком розвиткуелектроніки можна вважати телекомунікаційні цифрові мережі, поряд з нимипродовжують експлуатуватися і вдосконалюватися засоби передачіаналогового сигналу. Вони використовуються на виробництві, для зв’язкувіддалених інтелектуальних датчиків, в лабораторіях для передачівимірюваної інформації.Здебільшого для передачі аналогового сигналу на значні віддалівикористовується постійний струм. Зміни струму відображають зміну даних.Для передачі інформації можуть також використовуватися зміни частоти,фази змінного струму, чи їх поєднання. На незначні віддалі аналоговісигнали можуть передаватися за допомогою напруги.Для підготовки сигналів широко використовуються підсилювачіелектричних сигналів. Крім цього підсилювачі можуть використовуватисядля підготовки сигналу в системах керування механічними виконуючимивузлами. Тому їх розробка є важливою задачеюАрк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ21 РОЗРАХУНОК НЕВІДОМИХ ВЕЛИЧИН ТАБЛИЦІВхідний опір ...............................................................................800 кОмВихідний опір .............................................................................35 ОмНижня частота смуги пропускання ..........................................200 ГцВерхня частота смуги пропускання .........................................150 кГцКоефіцієнт нерівномірності коефіцієнтапередачі нижньої частоти ..........................................................0.2 дБКоефіцієнт нерівномірності коефіцієнтапередачі верхньої частоти .........................................................0.2 дБМінімальна температура ............................................................-15Максимальна температура ..........................................................33Максимальна вхідна напруга ......................................................0.1Максимальна вихідна напруга ...................................................100ВКоефіцієнт гармонік менший .....................................................0.35%Коефіцієнт підсилення .....................................................100/0.1=1000Мінімальний опір джерела сигналу ....................800000/10=80000 ОмВхідний струм ....................................................0.1/800000=0.125 ·10 -6 ААрк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ32 РОЗРАХУНОК ВХІДНОГО КАСКАДУВибираємо вхідний каскад на польових транзисторах. Вибираємоповторювач.Для забезпечення високого вхідного опору варто використатиповторювач напруги на польовому транзисторі.Польові транзистори часто використовують в витокових повторювачах.За допомогою них просто отримати високий повний вхідний опір. Томуповторювач на польовому транзисторі часто використовують як вхіднийкаскад в осцилографах та інших вимірювальних пристрях.На рис.2.1 показано напростіший витоковий повторювач.Рисунок 2.1- Витоковий повторювачВитоковий повторювач має вихідний опір 1/gm. Витокові повторювачідуже схожі до джерел ЕРС. Але схема має два недоліки:1. Відносно високий вихідний повний опір означає, що амплітудавихідного сигналу може бути значно менша, ніж амплітуда вхідного сигналу,навіть при значному повному опорі навантаженні, оскільки будь-яке Rнутворює в поєднанні з вихідним опором витоку подільник. Крім того яктільки струм стоку змінюється на протязі періода сигналу, gм і разом з нимвихідий опір будуть змінюватися, спричиняючи зміну вихідного сигналу(спотворення).Цю ситуацію можна покращити, використовуючи польові транзисториз великою крутизною, але кращим вирішенням є комбінований повторювач.2. Оскільки параметр Uзв при виготовленні важко контролювати, товитоковий повторювач має непередбачуване зміщення по постійному струму.Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ4Це суттєва проблема при використанні в схемах зі звязками попостійному струму. Використання декількох елементів може покращитипараметри повторювача.Опір Rн можна замінити на джерело струму (рис.2.2). Постійний струмвитоку стабілізує напругу Uзв, а це усуває нелінійність. Для простоти можнавважати, що Rн стає безмежним.Рисунок 2.2- Спосіб покращення витокового повторювачаТакий ефект створює джерело струму в якості навантаження. Такасхема зображена на рисунку 2.3.Рисунок 2.3- Схема покращеного витокового повторювачаЦя схема має ще одну перевагу- малий вихідний опір при збереженніприблизної стабільності струму стоку Uбе/Rзм. Однак існує проблеманепередбачуваної (а тому ненульової) напруги зміщення від входу до виходуUзв. Для даної ення входу непередбачуваного ( а тому ненульового іприблизної стабільності струму стоку зками по постійому струмусхемивихідна напруга визначається сумою напруги сток-витікта емітер-база.Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ5Регулювати напругу стік-витік можна змінюючи струм стоку. Однак він незалишається стабільним із зміною температури.Кращими властивостями володіє узгоджена пара польових транзисторів (рис.2.4).Рисунок 2.4- Схема повторювача на узгодженій парі транзисторівVT1 та VT2 – узгоджена пара транзисторів на окремому кремнієвомукристалі. VT2 відбирає струм точно такий який буде при Uзв=0, тодіоскільки на двох польових транзисторах Uзв=0 VT1 є повторювачем ізнульовим зміщенням. Оскільки обидва транзистори знаходяться в однихтемпературних умовах, зміщення залишається майже нульовим при різнихтемпературах.Зазвичай до попередньої схеми добавляють невеликі витоковірезистори. Резистори задають робочий струм транзистора і задаютьзміщення. Рівність резисторів гарантує рівність вхідної та вихідної напругиякщо транзистори узгоджені. Така модифікація схеми покращуєпередбачуваність струму стоку та покращує лінійність оскільки польовийтранзистор має кращу лінійність при струмах менших початкового струмустоку.Риунок 2.5-Вхідна характеристика транзистора 2N3819Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ6Вибираємо напругу на затворі посередині лінійної ділянки вхідної характеристики, тобто 2В. При цьому струм стоку буде 4мА. Тоді опір в колі витоку буде2 / 0 . 004 = 500 ОмСхема вхідного підсилювача зображена на рисR41megIN J1C1 V1V0 1uR2500 OUTJ2 V2R3500Рисунок 2.6- Схема повторювача Напруги і струм в колах схеми зображено на рисR4 R41meg 1megIN J1 20 IN 22.979p J10 0 C1 22.979u V1 C1 22.979p V1 4.00V0 1u 2.002 V0 1uR2 R2 4.003m500 OUT 500 OUT22.927u 22.927uJ2 V2 22.979p J2 V2 4.00-20 4.004m-17.998R3 R3500 500Рисунок 2.7- Розраховані напруги а) та струми б) повторювача на постійному струмі Результати моделювання роботи каскаду наведено на рис.2.8Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ760.000m 60.000m !EL7.CIR40.000m20.000m0.000m-20.000m-40.000m 0.000m 0.400m 0.800m 1.200m 1.600m 2.000mv(in) v(out)T1.000m 1.000m0.800m0.600m0.400m0.200m0.000m 0.000K 300.000K 600.000K 750.000KTHD(HARM(v(out)),1k)fРисунок 2.8- Результати досліджень коефіцієнта нелінійних спотвореньпри моделюванні-838.400m -838.400m !EL7.CIR Temperature=-15...33-840.000m-841.600m-843.200m-844.800m-846.400m -846.400m 200 1K 10K 100K 150Kdb(v(out))FРисунок 2.9 Результати досліджень АЧХ каскаду при моделюванніАрк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ83 РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ КАСКАДІВНаступний каскад підсилення побудовано з використаннямбіполярного транзистора. Схему такого підсилювача наведено на рис.3.1Рисунок 3.1- Схема підсилювача на біполярному транзисторіКоефіцієнт передачі такого підсилювача визначається співвідн
ошеннямRk та суми Re+re( внутрішній опір емітера). Внутрішній опір емітеразалежить від струму колектора. Здебільшого ним нехтують якщо опір Reбільший декількох сотень Ом.Вхідний опір визначається паралельним включенням базовихрезисторів і вхідного опору транзистора, який приблизно визначаєтьсядобутком Re*h .21eВихідний опір приблизно рівний колекторному опору Rk.При розрахунку здебільшого струм базового кола Ізм (R , R )Б1 Б2вдесятеро менший за струм колекторного кола Ік. При стрмі від одиницьміліампер коефіцієнт передачі транзистора набагато більший за 10 томувплив струму I на Ізм мізерний. Тому ми ним нехтуємо.БВажливим для мінімізації спотворень сигналу є вибір робочої точкитранзистора. В режимі малого сигналу достатньо забезпечити на виході Uвихполовину напруги живлення Vсс. В режимі сильного сигналу требааналізувати вихідні характеристики транзистора. Можна вважати вихідніАрк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ9характеристики віялоподібні. Якщо знайти вузол де вони сходяться можнаотримати сімейство ВАХ (рис.3.2).Рисунок 3.2- Спосіб апроксимації вихідних характеристик. Вибираємо робочий струм базової ланки підсилювального каскаду.Вихідний струм повторювача на польових транзисторах 0.1/500=0.0002 А.Вибираємо струм кола бази 0.2мА. Для забезпечення вихідної напруги ±100Ввибираємо напругу живлення ±150В. В режимі малого сигналу вибір робочоїточки транзистора можна спростит. Опір базових резисторів300/0.0002=1500000. Колекторний струм буде 0.0002*10=0.002А.Для забезпечення на виході 0В не колекторному резисторі повинноспадати 150В. Тоді резистор буде 150/0.002=75000Ом.Вибираємо попередній коефіцієнт підсилення каскаду 10. Тоді еміернийрезистор буде 75000/10=7500. При протіканні по ньому струму 0.002А наньому буде спадати 7500*0.002=15В.Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ10Для забезпечення цієї напруги на базі повинно бути 15.6В. Оскільки по базовому колі протікає струм 0.0002, то спад напруги 15.6В буде на резисторі15.6/0.0002=78000.враховуючи загальний базовий опір 1500000 Ом верхній базовий резистор буде1500000-78000=1422000.На рис.3.3 наведено результати моделювання роботи каскаду на постійному струмі.V3 V32.177m150R31 R30 R31 R301.4meg 75k 1.4meg 75kOUT1 203.231u OUT11.982 1.982-134.523 4.813u 1.974m0 Q2 Q2C2 100u 0 C2 100u 1.978m-135.162198.418uV5 R32 R29 V5 R32 R2978k 7.5k 78k 7.5k-150V4 2.177m V4Рисунок 3.3- Розподіл напруги а) і струмів б) схеми отримані в результаті моделювання. Амплітудно-частотна зарактеристика каскаду наведно на рис.3.4Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ1119.050 19.050 !EL7.CIR Temperature=-15...3318.90018.75018.60018.45018.300 200 1K 10K 100K 150Kdb(v(36))FРисунок 3.4- АЧХ підсилювального каскадуКоефіцієнт підсилення вийшов дещо менший через впливвнутрішнього емітерного опору транзистора. Для компенсації зменшеннякоефіцієнта підсилення збільшимо колекторний опір резистора до 90кОм.Для згладження АЧХ в смузі пропускання в колі емітера ввімкненокоректуючу RC ланку. А для узгодження із наступним каскадом підсиленнявикористано емітерний повторювач. Загальна схема каскаду підсиленнязображена на рис.3.5.Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ12V3R31 R301.4meg 90kOUT1 Q14Q2C2 100u C4 100uR6318kR32 R29 R62 1.5k78k 7.5kC140.02nV4Рисунок 3.5- Загальна схема підсилювального каскадуРезультуюча АЧХ зображена на рис.3.6.20.280 20.280 !EL7.CIR Temperature=-15...3320.24020.20020.16020.12020.080 200 1K 10K 100K 150Kdb(v(18))FРисунок 3.6- АЧХ розробленого каскаду підсилення Базовий струм наступного каскаду 2мА. Відповідно опір базових резисторівАрк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ13300/0.002=150000 Ом.Струм кола колектора 20 мА. Тоді для забезпечення вихідної напругиблизько 0 на колекторному резисторі буде спадати 150В і його опір буде150/0.02=7500.Для забезпечення підсилення в 10 разів опір емітерного резистора7500/10=750.Спад напруги на емітерному резисторі750*0.02=15В.На базі буде 15.6В. Тоді нижні опір базового кола15.6/0.002=7800.Верхній опір150000-7800=142200.Схема каскаду зображена на рис.3.7.V3R31 R30 R36 R651.4meg 90k 142k 9kQ14 Q16OUT1Q2 Q15 OUT2C2 100u C4 100uR6318kR32 R29 R62 1.5k R37 R64 R6678k 7.5k 7.8k 750 150C14V4 0.02nРисунок 3.7- Схема підсилювача на 100 АЧХ представлена на рис.3.8.Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ1440.200 40.200 !EL7.CIR Temperature=-15...3340.15040.10040.05040.00039.950 200 1K 10K 100K 150Kdb(v(out2))FРисунок 3.8- АЧХ каскаду підсилення на 100Форма вхідної та вихідної напруги каскаду зображена на рис.3.9.150.000m 150.000m !EL7.CIR100.000m50.000m0.000m-50.000m-100.000m 0.000m 2.000m 4.000m 6.000m 8.000m 10.000mv(in)T24.00018.00012.0006.0000.000-6.000 0.000m 2.000m 4.000m 6.000m 8.000m 10.000mv(out2)T50.000m 50.000m40.000m30.000m20.000m10.000m0.000m 0.000K 250.000K 500.000K 625.000KTHD(HARM(v(out2)),1k)fРисунок 3.9-Форма вихідної напруги та коефіцієнт нелінійних спотворень підсилювача на 100Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ15Для подальшого підсилення використовується каскад із збільшенимструмом бази до 20мА. Опір базових резисторів300/0.02=15000При струмі колектора 200мА опір колекторного резистора 150/0.2=750.При цьому емітерний опір750/10=75 Ом.На ньому спадає75*0.2=15В.Напруга бази 15.6В. Опір нижнього базового резистора15.6/0.02=780.Опір верхнього базового резистора15000-780=14220.Враховуючи, що вихідний струм100/35=2.85Аі що підсилювальні транзистори ввімкнені за схемою класу А, тобторозсіюють потужність вдвічі більшу за вихідну, то колекторний струмвихідного транзистора повинен бути більшим за2.85*2=5.7А.Для забезпечення такого струму і враховуючи, що вихідний струмостанньої ланки підсилення 200мА встановлюємо емітерний повторювач.Для забезпечення взаємозамінності транзисторів передбачаємо коефіцієнтпередачі по струму не менший 10. Тоді для забезпечення необхідного струму6А з 200мА треба два транзистори ввімкнених по схемі дарлінгтона.0.2*10*10=20А.Значит вихідному транзистору повинно вистачитиструму длязабезпечення на вихідному навантаженні 35 Ом напруги ±100В.Схема підсиювача згідно цих міркувань наведена на рис.3.10.Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ16V3R31 R30 R36 R35 R56 R551.4meg 90k 142k 7.8k 15k 750OUT3Q9Q13Q14Q15 OUT4OUT1Q2 Q3 OUT2 Q16C2 100u C4 100u C16R63 100u18kR32 R29 R62 1.5k R37 R34 R64 R57 R54 R6178k 7.5k 7.8k 750 1k 780 73 35C14V4 0.02nРисунок 3.10- Схема підсилювача на 1000 АЧХ схеми наведено на рис.3.11, а форма вихідного сигналу і коефіцієнт спотворень на рис.3.1248.000 !EL7.CIR Temperature=-15...3342.00036.00030.00024.00018.000 200 1K 10K 100K 150Kdb(v(out1)) db(v(out2))F60.225 60.22560.15060.07560.00059.92559.850 59.850 200 1K 10K 100K 150Kdb(v(out4))fРисунок 3.11- АЧХ каскадів підсилення на 10, 100 та 1000Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ17180.000 !EL7.CIR120.00060.0000.000-60.000-120.000 0.000m 2.000m 4.000m 6.000m 8.000m 10.000mv(out4)T150.000m 150.000m120.000m90.000m60.000m30.000m0.000m 0.000K 250.000K 500.000K 625.000KTHD(HARM(v(out2)),1k)f375.000m 375.000m300.000m225.000m150.000m75.000m0.000m 0.000K 250.000K 500.000K 625.000KTHD(HARM(v(out4)),1k)fРисунок 3.12- Форма вихідного сигналу та коефіцієнти нелінійних спотворень підсилювача на 100 та 1000Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ18ВИСНОВКИВ результаті роботи над курсовим проектом розроблено схемупідсилювача напруги. Підсилювач складається із повторювача напруги напольових транзисторах і трьох каскадів підсилення. Кожен із каскадівзабезпечує підсилення на 10. Сумарний коефіцієнт підсилення 1000. Коженпідсилювальний каскад складається із підсилювача і емітерного повторювачадля зменшення впливу на роботу каскаду вихідного навантаження. Першийпідсилювальний каскад має коефіцієнт нелінійних спотворень близько 0.06%,другий – 0.12% і третій 0.26%. Нерівномірність АЧХ в заданій смузіпропускання при зміні температури від -15 до +33 °С становит +0.1/-0.75дБАрк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ19Змн. Арк. № докум. Підпис ДатаСПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ1. Ленк Дж. Электронные схемы. Практическое руководство.М.:-Мир.-1985.- 434с.2. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработкианалоговых сигналов. М.: Радио и связь.- 1991. 376 с.3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. 1,2 Т. М.: Мир.-1983.Арк.КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ20№ докум. Підпис ДатаДОДАТКИДодаток АДодаток БДОДАТОК ВКР.АУ- 0 .00.000 ПЗ