Усилитель вертикального отклонения осциллографа

Усилитель вертикального отклонения осциллографа

Министерство общего и профессионального образования РФ

Уральский государственный технический университет

Кафедра ФМПК

РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Пояснительная записка

19.02 520000 012 ПЗ

Студент: Лебедев В.В.

Руководитель: Стрекаловская З.Г.

Н. Контролёр Замараева И.В.

Группа: ФТ-429

Екатеринбург

1998 г.

Содержание

Стр.

1. Введение 3

2. Техническое задание 3

3. Справочные данные на элементы 4

4. Структурная схема усилителя 5

5. Расчёт входного делителя 6

6. Расчёт предусилителя 7

7. Расчёт фазоинвертора 9

8. Расчёт оконечного каскада 11

9. Расчёт граничных частот 15

10. Заключение 16

11. Библиографический список 17

12. Приложения 18

Введение.

Согласно техническому заданию, требуется спроектировать и рассчитать широкополосный электронный усилитель, работающий на симметричную нагрузку, обеспечивающий на выходе усиленный входной сигнал с допустимыми искажениями

Техническое задание.

Входной сигнал:

Экспоненциальный импульс отрицательной полярности.

U_вх=(10¸500)мВ

t_и=5мкс

Выходной сигнал:

U_вых=250В

Нагрузка:

R_н=250кОм

Входное сопротивление:

R_н>100кОм

Элементная база:

Использовать ИМС.

Диапазон температур:

T=(20±20)⁰C

Справочные данные на элементы.

Микросхемы

Микросхема 140УD5А

U_Uпит=±12В

К_уU=1500¸125000

R_вх=100кОм

R_вых<1кОм

f₁=15мГц

U_вых<±4В

Микросхема 140УD10

U_Uпит=±(5¸16)В

К_уU=50

R_вх=1мОм

R_вых<1кОм

f₁=15мГц

Транзистор 2Т888А

U_КЭмах=900В

a=0.976

b=40

f_в=15мГц

U_вых<±10В

I_Кб0<10мкА

I_Кмах=100мА

P_Кмах=7Вт (с теплоотводом)

С_к=45пФ

Тип p-n-p

Структурная схема усилителя

Исходя из технического задания, была выбрана структурная схема усилителя рис.1

Структурная схема усилителя

U_вх Входной Предусилитель

Делитель

Фазоинвертор Оконечный

каскад

Рис.1

Входной делитель даёт возможность делить входной сигнал в соотношениях 1:1, 1:10, 1:50.

Предусилитель обеспечивает большой коэффициент усиления при минимальных искажениях.

Фазоинвертор обеспечивает на выходе одинаковые по модулю и разные по фазе напряжения.

Оконечный каскад обеспечивает усиление мощности сигнала для эффективного управления нагрузкой. Так как он вносит в сигнал максимальные искажения, то его коэффициент усиления этого каскада выбирают небольшим.

Входной делитель

С₁

R₁

C₂ R₂ C₃ R₃

Рис №2

Зададимся

R₁=100кОм

С₁=220пФ

K₁= 0.1 ( коэффициент деления 1:10)

K₂=0.02 ( коэффициент деления 1:50)

C₁R₁= C₂R₂= C₃R₃

R₂=R₁*K₁/(1-K₁)

R₃=R₁*K₂/(1-K₂)

R₂=11кОм

R₃=2кОм

Рассчитаем С_I

Пусть С₁=220пФ

Тогда С₂=С₁*R₁/R₂=2нФ

С₃=С₁*R₁/R₃=10.8 нФ

Номинальные значения:

R₂=11кОм С₂=2 нФ

R₃=2кОм С₃=11 нФ

Предварительный усилитель

C₁ DA1 C₂ DA2 C₃ DA3

+ + +

- - -

R₂ R₄ R₆ R₇

R₁ R₃ R₄

Рис. 3

Первый и второй каскад (DA1,DA2) предусилителя идентичны и построены на ОУ 140УД5А

Расчёт ведем для одного каскада.

К
оэффициент усиления ОУ определяется по формуле:

Возьмём коэффициент усиления DA1 и DA2 K₀₁^*=16

Возьмем R₁=10 кОм

Тогда: R₂=R₁(K₀-1)= 150кОм

Верхняя граничная частота при K₀=16, f_В=5МГц (справ. данные)

Н
ижняя граничная частота при C₁=1мкФ

В
озьмём С₄=С₅=1 мкФ R₇=100кОм R₆=33кОм

Третий каскад (DA3) предусилителя построен на ОУ 140УД10

В последним третьем каскаде введена регулировка коэффициента усиления всего усилителя. Зададимся условием чтобы его минимальный коэффициент усиления был равен: К_­0=3 он зависит от величен сопротивлений R₅ и R₆

П
ри R₅=10кОм и R₆=20кОм коэффициент усиления составит K_0min=3

П
усть максимальный коэффициент усиления составит K_0мах=4

Следовательно R₇=R₅(K_0min-1)-R₆=10кОм

Верхняя граничная частота при K₀=4, f_В=5МГц (справ. данные)

Нижняя граничная частота при C₃=1мкФ

Параметры всего ПУ

Коэффициент усиления всего ПУ: K₀=K₀₁K₀₂K₀₃

K_0max=K₀₁K₀₂K₀₃=1024

K_0min=K₀₁K₀₂K₀₃=768

В
ерхняя граничная частота:

F_ВПУ=2.9 МГц

Нижняя граничная частота

f_н= f₁+f₂+f₃=5Гц

Расчёт фазоинвертора:

С₂ DA1

+

-

Вх

R₂

C₁ R₁ DA2

-

+

Рис. 4

Фазоинвертор построен на 2x- ОУ 140УД10

DA1- включен как повторитель

DA2 - включен как инвертор

Коэффициент усиления повторителя К₀₁=1

Коэффициент усиления инвертора К₀₂»1 когда R₂<<R₁

Пусть R₁=10кОм и R₂=1кОм Þ K₀₂»1

Для обеспечения симметричного выхода сделаем R₂ – переменным сопротивлением

Верхняя граничная частота для 140УD10 – равна 15МГц

Нижняя граничная частота равна:

Н
еобходимо чтобы F_Н1=F_Н2 (нижние граничные частоты обоих плеч были одинаковые )

Вожмём С₁=1мкФ тогда:

Т.К. R_ВХповт=R_Вхоу=1 МОм=100R₁,

то чтобы F_Н1= F_Н2 следует взять С₂=0,01C₁=0.01 мкФ

Расчёт оконечного каскада

R₁ R_к

C_c2 C_c4

C_c1 C_c3

VT₁ VT₂

R₂ R_э

C_Э R_эоб

Рис. 5

Принципиальная схема оконечного каскада изображена на рис.3

Поскольку у нас симметричная нагрузка то будем вести расчёт на одно плечо.

У
равнение линией нагрузки будет выглядеть следующим образом:

I_Кмах=40мА

Динамическая линия нагрузки транзистора

I мА

40

Р.Т.

20

0 100 350 700 U_кэВ

Рис. 4

Возьмем R_Э=4кОм и R_К=13.5кОМ

Рабочая точка: I_К0=20мА U_КЭ0=350В

Найдем рассеиваемую мощность

P_Rк=5.4Вт и P_Rэ=I²_Э0*R_Э=1.7Вт

Произведём расчёт базового делителя:

Пусть I_дел=5мА

U_Э0= I_Э0*R_Э=20мА*4кОм=82В - напряжение на эмиттере

U_Б0= U_Э0*U_БЭ=82.5В - напряжение на базе

R₂= U_Б0/I_дел=16400»16 кОм

R
₁=112272 Ом»110 кОм

R
_Б»14кОм

Найдём коэффициент термонестабильности N_S=1+R_Б/R_Э=4,6

Определим крутизну

S=I_К0/м*j_т=256мА/В

Рассчитаем g_экв

g_К=1/R_К=1/13.5=7.4*10^-5 Cм

g_н=1/R_н=4*10^-6 Cм

g_i=h₂₂=(1+b)I_Кбо/U_Кэо=1.177*10^-6 Cм

g_экв=g_i+g_н+g_к=7.93*10^-5 Cм

Рассчитаем коэффициент усиления

K_O=S/g_экв=3228

Введём О.О.С. разделив сопротивление R_Э

Пусть K₀^*=30 тогда K₀^*= K₀/1+g*K₀

g=R_Э/R_К=0.033 R_Э - сопротивление О.О.С.

R_Э=g* R_К=445Ом Þ R_Э1=R_Э-R_Э»4кОм-430Ом»3,6кОм

F=1+g*K₀=107.5 – глубина обратной связи

Входная проводимость:

G₁₁= I_К0/м*j_т*b=6.4*10^-3

j_т – тепловой потенциал

r_вх =1/g₁₁=156 Ом

r_э=j_т/I_Эо=1.27Ом

сопротивление базы транзистора

r_Б=r_вх-br_Э=105Ом

Расчёт по переменному току:

Н
айдём нижнюю частоту

Расчёт граничных частот

Р

ассчитаем верхнюю частоту всего усилителя по формуле:

Обеспечим при этом длительность фронта равной:

t_Ф=0.35/f_В=0.34 мкс

что для t_И=5мкс составляет менее 7%

Рассчитаем нижнюю частоту всего усилителя по формуле

f_н= f_нпр+f_нфаз+f_нокон=5+16+260=281Гц

Для предварительного усилителя

t_нпр=С₄*R_вх=0.1с

f_нпр= 1/(2p*t_нпр)=1.6 Гц

Для фазоинвертора

t_нфи=С₇*R₁₀=0.01с

f_нфи= 1/(2p*t_нфи)=16 Гц

Для предоконечного каскада

t_нпре=С₈*R_вх=1с

f_нпре= 1/(2p*t_нпре)=0.2 Гц

Для оконечного каскада

f_нокон=260 Гц

R_Эоб=0.5R_Э1=1780Ом

Расчет транзисторов на мощность

Заключение

В ходе данной работы был спроектирован электронный усилитель, позволяющий усиливать переменное напряжение. Параметры данного усилителя соответствуют техническим требованиям.

Библиографический список.

1. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник. Под.ред. А.В.Голомедова. Москва,; Радио и связь, 1994

2. Интергральные микросхемы. Операционные усилители. Справочник. Москва,; ВО “Наука”,1993.