4
1
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
курсовой проект
по дисциплине «Схемотехника»
Тема: “Высококачественное усилительное устройство переменного тока”
Вариант № 18
Студентка гр. 7891
Рогозинская А.Л.
Преподаватель
Соколов Ю. М.
Санкт-Петербург 2020
ЗАДАНИЕ
на курсовой проект
Студентка Рогозинская А. Л.
Группа 7891
Тема работы проекта: Высококачественное усилительное устройство переменного тока
Исходные данные: Вариант 18
KU = 1000; fн = 200 (Гц); fв = 20 (кГц), не менее; Rвх = 200 (кОм); Uп.вых = 1,5
(В), не более; Iн = 1,2 (A), не менее; Uвых = 10 (В), не менее.
Содержание пояснительной записки:
«Содержание», «Введение», «ТЗ», «Выбор схемы УПТ», «Моделирование УПТ в системе Multisim», «Экспериментальное исследование УПТ в системе NI ELVIS», «Проектирование мощного выходного каскада усилителя», «Заключение», «Список использованной литературы», «Приложения».
Предполагаемый объем пояснительной записки:
Не менее 20 страниц.
Дата выдачи задания: 07.09.2020
Дата сдачи курсового проекта: 14.11.2020
Дата защиты курсового проекта: 00.00.2020
Студентка
Рогозинская А. Л.
Преподаватель
Соколов Ю. М.
АННОТАЦИЯ
Целью данного курсового проекта является приобретение навыков расчёта и проектирования микроэлектронных устройств на базе систем «Multisim» и «NI ELVIS», использование справочной литературы, оформление технической документации.
При выполнении курсового проекта разрабатывается функциональная и принципиальная схемы усилителя, рассчитывается, и выбираются входящие в его состав компоненты, определяющие уточнённые статические и динамические параметры электронного устройства.
На заключительном этапе проектирования оформляется пояснительные записки и чертёж принципиальной электронной схемы усилителя, выполненный в соответствии с Единой системы конструкторской документации (ЕСКД).
SUMMARY
The purpose of this course project is to acquire the skill of calculating and designing microelectronic devices based on the systems "Multisim" and "NI ELVIS", the use of reference literature, the design of technical documentation.
During the implementation of the planned project, electrical and circuit diagrams of the amplifier are developed, calculated, and selected from its constituent components, which determine the specified static and dynamic parameters of the electronic device.
At the final design stage, explanatory notes and a schematic diagram of the amplifier circuit are drawn up, made in accordance with the Unified Design System (ESKD).
Содержание
Техническое задание
1.1Выбор схемы усилителя переменного тока
1.2 Построение усилителя на основе инвестирующего решающего усилителя (РУ)
1.3 Схемная реализация усилителя на базе неинвернтирующего РУ
1.4 Построение усилителя на основе двух усилительных подсхем
Общий вывод:
2. Моделирование усилителя переменного тока В СИСТЕМЕ «Multisim»
2.1 Усилитель с одной усилительной подсхемой
2.2 Усилитель с двумя усилительными подсхемами
3. Эксперемнтальное исследование усилителя переменного тока в системе «NI ELVIS»
3.1 Усилитель на одном неинвертирующем РУ
3.1 Усилитель на неинвертирующем и инвертирующем РУ
Вывод:
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОЩНОГО ВЫХОДНОГО КАСКАДА УСИЛИТЕЛЯ
4.1 Назначение и функционирование ВК
4.1 Расчёт ВК
4.2 Максимальные мощности, рассеиваемые на элементах ВК
Заключение
Список используемой литературы
ПРИЛОЖЕНИЕ «а»
ПРИЛОЖЕНИЕ «b»
микроэлектроника схема выходной каскад усилитель
Техническое задание
Усилитель переменного тока должен быть реализован на маломощных интегральных операционных усилителях (ОУ) с выходной мощностью не более 100 (мВт). Для обеспечения большой выходной мощности всего усилителя переменного тока, отдаваемой в нагрузку (10 - 15 (Вт)), на его выходе может быть использован выходной каскад на дискретных компонентах. Выходные транзисторы этого каскада могут устанавливаться на теплоотвод.
Таблица № 4.1
|
Параметры |
18 |
|
|
Коэффициент усиления в полосе пропускания |
1000 |
|
|
Нижняя граничная частота полосы пропускания , Гц |
200 |
|
|
Верхняя граничная частота , кГц, не менее |
20 |
|
|
Входное сопротивление, кОм |
200 |
|
|
Постоянное напряжение помехи на выходе, В, не более |
1,5 |
|
|
Максимальный ток нагрузки , А, не менее |
1,2 |
|
|
Максимальное выходное напряжение , В, не менее |
10 |
В табл. 4.1 приведены значения параметров усилителя переменного тока, соответствующие варианту 18 технического задания.
1.2 Построение усилителя на основе инвестирующего решающего усилителя (РУ)
Рис. 4.1. «Схема инвертирующего РУ с разделительным конденсатором на входе»
Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя переменного тока (рис. 4.1) в полосе пропускания определяются схемными функциями инвертирующего РУ:
; .
Для заданных техническим заданием параметров и Rвх = 200 (кОм) определяем:
R1 = 200 (кОм),
R2 = KUR1 = 1000 · 200 (кОм) = 200000 (кОм) = 200 (МОм)
Вывод:
Так как по результатам расчета схемы на рис. 4.1 хотя бы одно из ее сопротивлений превышает значение 10 (МОм) (а именно R2 = 200 (МОм) >>10 (МОм)), то считаем, что такая схема не подходит и дальше исследовать её далее не нужно.
1.3 Схемная реализация усилителя на базе неинвернтирующего РУ
Рис. 4.3. «Схема усилителя переменного тока на базе неинвертирующего РУ»
Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя переменного тока в полосе пропускания определяются схемными функциями неинвертирующего РУ (сопротивлением конденсаторов С1 и С2 в полосе пропускания в первом приближении можно пренебречь):
; .
Принимаем Rвхни ? R3 = 200 (кОм)
Принимаем ёмкость конденсатора C1 = C2 = 1 (мкФ)
находим:
R1 = = = 796,178 (Ом) = 0,796 (кОм)
R2 = (KU - 1) ? R1 = (1000 - 1) ? 796,178 = 999? 796,178 (Ом) = 795,381 (кОм)
Далее находим граничную частоту ОУ:
fср = |KU| fв = |1000| · 20 · 103 =20 000 (кГц) = 20 (МГц)
Вывод:
Отметим, что такой усилитель подобрать достаточно сложно. Возможно, что усилитель (рис. 4.3) будет иметь малую граничную частоту , меньше чем в техническом задании ( = 20 (кГц)) потому, что усиления усилителя реализуются на одной усилительной подсхеме, проверить это можно только в системе Multisim. По рассчитанным данным схема подходит, но сделать окончательное суждение допустимо после её построения в системе Multisim и проверки fв на соответствие входным данным.
1.4 Построение усилителя на основе двух усилительных подсхем
Рис. 3.1. «Схема усилителя переменного тока»
От недостатка усилителя рис. 4.3 свободна схема усилителя переменного тока, представленная на рис. 3.1. Этот усилитель состоит из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на неинвертирующем РУ (DA1; R1; R2; R3; С1), что позволяет обеспечить большое входное сопротивление усилителя переменного тока; выходная подсхема представляет собой инвертирующий РУ (DA2; R4; R5; С2) и используется для получения высокого коэффициента усиления всего усилителя. В полосе пропускания
.
Принимаем ёмкость конденсаторов C1 = C2 = 1 (мкФ)
Нижняя граница частоты полосы пропускания усилителя переменного тока (рис. 3.1) определяется соотношением:
Находим:
= = 796,178 (Ом) = 0,796 (кОм)
Так как необходимо распределить коэффициент усиления на две усилительные подсхемы:
KUНИ = KUИ = = = 31,623
KUНИ = 31,623
Rвх = R3 = 200 (кОм) (для обеспечения сопротивления 200 (кОм))
Принимаем R1 = 1 (кОм)
R2 = ( - 1) ? R1 = (31,623 - 1) ? 1 = 30,623 (кОм)
Определяем R5 = KUИR4 = 30,623 · 0,796 = 25,172 (кОм)
Далее находим граничную частоту операционного усилителя:
fср = |KU | fв = |31,623| · 20 · 103 = 632,46 (кГц)
Вывод:
По рассчитанным данным схема подходит, но сделать окончательное суждение допустимо после её построения в системе Multisim.
Общий вывод:
В ходе проекта было рассмотрено три варианта схем усилителя переменного тока, реализующих параметры, заданные заданием - однокаскадный инвертирующий усилитель, однокаскадный неинвертирующий усилитель и двухкаскадный усилитель.
Так как согласно заданию требуется высокий коэффициент усиления (1000) и одновременно большое входное сопротивление (200 (КОм)), то оказалось, что схема инвертирующего усилителя принципиально не подходит - сопротивление в цепи обратной связи получается большим и не реализуемым на практике. Вторая схема реализуема на практике, однако, как показали расчеты, требует усилителя с большой граничной частотой.
Такие усилители, как правило, обладают невысокой нагрузочной способностью. А по заданию необходимо 10 (мА).
Оптимальной для реализации оказалась третья схема. Как показали расчеты, в ней допустимо использовать усилители с граничной частотой 2 (МГц). Это связано с тем, что коэффициент усиления каждого каскада невысок. У обоих каскадов был обеспечен одинаковый (сравнительно небольшой) коэффициент усиления, как и требовалось в задании.
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ усилителя переменного тока В СИСТЕМЕ «Multisim»
2.1 Усилитель с одной усилительной подсхемой
Составляем модель в Multisim согласно проведенным расчетам.
Рисунок 2.1.1 «Схема рисунок 4.3, построенная в системе Mutisim. Модель усилителя переменного тока с одной усилительной подсхемой»
На рисунке 2.1.2 показано определение коэффициента усиления усилителя в полосе пропускания по ЛАЧХ модели усилителя переменного тока с оной усилительной подсхемой на базе неинвертирующего РУ. Его значение составляет КU = 997,47.
На рисунках 2.1.3 и 2.1.4 показано определение соответственно верхней и нижней граничных частот по ЛАЧХ модели усилителя тока с одной усилительной подсхемой на базе неинвертирующего РУ:
fн = 167,778 (Гц); fв = 1,073 (кГц)
Сравним полученные значения с данными технического задания на курсовое проектирование.
Рисунок 2.1.2 «Определение коэффициента усиления в дБ по ЛАЧХ модели»
Измеренный в cиcтеме Multisim коэффициент усиления KU = 997,47 не сильно отличается от указанного в техническом задании KU =1000.
Рисунок 2.1.3 «Определение нижней граничной частоты по ЛАЧХ модели»
Для определения нижней граничной частоты определяем частоту для KU - 3 (дБ) = 57 (дБ), сдвигая курсор влево. Измеренное в системе Multisim значение fн = 167,778 (Гц) не соответствует указанному в техническом задании fн = 200 (Гц).
Рисунок 2.1.4 «Определение верхней граничной частоты по ЛАЧХ модели»
Для определения верхней граничной частоты определим частоту для
KU - 3 (дБ) = 57 (дБ), сдвигая курсор вправо.
Измеренное в Multisim значение fв = 1,073 (кГц) не удовлетворяет условию технического задания fв ? 20 (кГц), схема не подходит.
Вывод:
Так как верхняя частота fв = 1,073 (кГц) и нижняя частота fн= 167,778 (Гц) для данной модели не соответствуют техническому заданию, в котором fв ? 20 (кГц) и fн = 200 (Гц) можно сделать вывод, что данная схема не подходит.
Усилитель имеет сравнительно низкую частоту fв и небольшую полосу пропускания всего усилителя.
2.2 Усилитель с двумя усилительными подсхемами
Построим схему рис. 2.2.1 в системе Multisim.
Рис. 2.2.1 «Схема рисунок 3.1, построенная в системе Mutisim. Модель усилителя переменного тока на базе инвертирующего и неинвертирующего РУ»
На рисунке 2.2.2 показано определение коэффициента усиления усилителя в полосе пропускания по ЛАЧХ модели усилителя переменного тока с одной усилительной подсхемой на базе двух усилительных подсхем. Его значение КU = 997,47.
Рисунок 2.2.2 «Определение коэффициента усиления в дБ по ЛАЧХ модели»
Измеренный в cиcтеме Multisim коэффициент усиления KU = 925,44 не сильно отличается от указанного в задании KU = 1000 с учётом погрешности.
На рис. 2.2.3 и рис. 2.2.4 показано определение соответственно нижней и верхей граничных частот по ЛАЧХ модели усилителя тока с одной усилительной подсхемой на базе неинвертирующего РУ: