Универсальный генератор

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н. Э. БАУМАНА

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР.

Расчетная часть работы

по курсу "Основы электроники"

Цель работы: изучение свойств и принципов действия усилителей низкой частоты на биполярных транзисторах, изучение методики проектирования и расчета генераторов колебаний прямоугольной формы с управляемой частотой следования импульсов.

Задание:

Обоснование структурной схемы.

Для генерирования прямоугольных импульсов, частота следования которых регулируется с помощью аналогового сигнала, можно выбрать схему функционального генератора с управляемой частотой выходного сигнала. Структурная схема приведена на черт.1.

Для возбуждения колебаний используется коммутатор (повторитель напряжения, знак которого зависит от состояния транзистора ) и триггер Шмидта ( компаратор с положительной обратной связью ).

Для формирования временных интервалов используется интегратор.

Диф.каскад вводится, так как нижняя частота полосы пропускания равна 0.3 Гц, (смотри ниже) и можно говорить, что выходной усилитель - усилитель постоянного тока (УПТ). Из чего следует, что если использовать на входе выходного усилителя просто емкость, то ее величина будет составлять порядка сотен микрофарад или единиц миллифарад, а это достаточно большие величины.

Оконечный каскад будет выполняться в виде двухтактного каскада, так как нагрузка по заданию низкоомна. При правильном подборе режима работы, применение последнего, позволит повысить КПД и понизить нелинейные искажения на выходе усилителя.

Для "раскачивания" двухтактного усилителя и согласования используется предварительный усилитель ОЭ, управляющий входным током транзисторов.

ГСТ используются для стабилизации токов ОЭ и Диф.каскада.

Для значительного уменьшения нелинейных искажений на выходе генератора, используется ООС. Расчётная часть

Генератор колебаний прямоугольной формы с регулируемой частотой следования. Частота следования определяется аналоговым сигналом.

1. Выбираем ОУ. Т.к. мы имеем маломощный генератор, то

U_{max вых ОУ} = ±10-12 В, а т.к. сигнал меняется в пределах 3-х порядков по частоте, то U_{min вых ОУ} = ±10-12 В, следовательно e_см < 10 мВ

Желательно, чтобы скорость нарастания импульса была больше, а зависимость e_см от Т меньше. Данным параметрам удовлетворяет ОУ К154УД2

U_вых = ±10В, R_н = 2 кОм, С = 3?10 нФ, V = 75 В/мкс, К_eсм = 20 мкВ/K

2. Стабилитрон – элемент включаемый в схему для стабилизации U_вых при скачках E_п. U стабилизации равно U триггера Шмидта => мы выбираем КС182A, у которого U_ст = 8,2 В

3. R₇ U_R7 - U_ст = 10-8,2 = 1,8 B, R₇ = U_R7 / I_ОУ = 1,8В/5мА = 360 Ом

4. R₅ – резистор, необходимый для падения на нём части сигнала при открытом диоде VD1 для предохранения от перегрева полевого транзистора (для того, чтобы привести последний в закрытое состояние требуется малый сигнал)

R₅ = (U_ст – U_д)/0,2?I_m = 7,5 кОм

5. Диод VD1 – необходим для отсечки отрицательного полупериода сигнала, получаемого с триггера Шмидта, для приведения полевого транзистора в открытое состояние (ключ замкнут)

Д220: I_m = 5мА, U = 50В – удовлетворяет нашим условиям.

Расчёт интегратора:

I_R = I_C = 0,8?I_max = 4мА ,

R₆ = U_max/I_R =10В/4мА = 2,5кОм ,

С₁ = U_max/4?U_ст?F_max?R₆ = 6нФ.

Расчёт инвертирующего усилителя:

I_вых = 5 мА. Необходимо, чтобы большая часть сигнала пошла на интегратор I_R4 = 1мА; I_{интеграт.} = 4 мА,

R₁ = R₄ = U_вых/I_R4 = 10В/1мА = 10 кОм.

Для уменьшения помех, создаваемых усилителем, R₂ = R₃ = R₁||R₄ =

= 10кОм/2 =5 кОм.

Расчёт делителя напряжения:

R_{вх ок} = 4,3 кОм,

U_{вх ок} = 2 В,

U_{вых дел} = I_дел?R₈ = U_стаб?R₈/(R₈+R₉) = U_{вх ок} = 2 В,

R₈ + R₉ ? R_{вх ок} ? 4,3 кОм,

8,2?R₉/(R₈+R₉) = 2В

R₈+R₉ = 4,3 кОм , откуда R₈ = 3,25 кОм,

R₉ = 1,05 кОм.

II. Эскиз источника питания.

Нам необходимо получить два равных по величине и симметричных относительно земли напряжения: положительное и отрицательное. Мы используем для этого наиболее очевидную схему - мостовой выпрямитель. Благодаря соединению среднего вывода вторичной обмотки трансформатора с общей шиной у нас в любой полупериод входного напряжения на противоположных концах выходной обмотки имеется положительное и отрицательное напряжения. Благодаря емкостям осуществляется двуполупериодное выпрямление выходного напряжения трансформатора.

III. Расчёт оконечного каскада, обеспечивающего усиление сигнала по мощности.

1. Определяем рабочий диапазон оконечного каскада:

f_min = 10 Гц T_max = 0,1 c

f_max= 10­⁴ ?? T_min= 10^-4c

На вход подаются прямоугольные импульсы

а) На верхних частотах:

OK эквивалентен

U_вых(t) = U_m?(1 – e^-tимп/t)

t_фр = 2,3?t , t - постоянная времени схемы,

t_{имп.мин} = 1/2?T_min = 1/(2?f_max) = 1/(2?10⁴) = 5?10^-5 c,

обычно считают t_фр = 0,1?t_{имп min} = 5?10_­^-6 с (наша цель – сделать как можно меньше t_фр), а так как t_вч = t_фр/2,3 , то f_вч = 2,3/ t_фр?2p =

= 73кГц

б) На нижних частотах:

OK эквивалентен

U_вых(t) = U_m?e^-tимп/t

d = D/U_m = 0,1 (наша цель - сделать как можно меньше D),

U_m - D = U_m?e^-tимп/t, следовательно 1 - d = e^-tимп/t ,

t_нч = t_имп/d, t_нч = t_имп/0,1, t_имп = 1/2?T_max = 1/(2?f_min) = 1/(2?10) = 0,05c, t_нч = 0,05/0,1 = Ѕ c, следовательно f_нч = 0,3 Гц,

считаем f_нч = 0.

f_пред ( > 5?f_вч ) = 400 кГц , f_гран = h_21Э? f_пред = 50?400кГц = 20 Мгц

Определимся с режимами работы транзисторов. Для транзисторов VT1 и VT2 лучше использовать режимы работы класса АВ. Это немного снизит энергетические показатели работы транзисторов, но зато приведет к значительному уменьшению нелинейных искажений на выходе. Для остальных транзисторов выберем режим А.

1. Расчёт параметров транзисторов эмиттерного повторителя (VT1 и

VT2).

Потребляемая мощность P_???? = I_m?_п; мощность, потребляемая нагрузкой _н= I_m?_m; 2?_{m pасс.}= P_потр- P_н; P'_{m pаб}= 0, следовательно E_п= 2U_m, P_{m pасс} =.

??? ??? R_? = 5 ??, ? P_?= 15 ??, ?? ??????????? ???????? ??????? ?? ????????:

U_{m ?}=?, I_{m ?} = U_{m ?}/R_?= 9/5 = 1,8 ?,

а необходимое напряжение питания:

E_?= U_??+ U_{m ?}= 2 + 9 = 11 ?.

????????? ??????????? ???????? ?_U== 9/2 = 4,5 ,

а мощность, рассеиваемая на коллекторе одного транзистора:

?_{m p???} »0,1?= 0,1?11²/5 = 2,42 Вт.

Исходя из полученных данных, выбираем транзисторы, так чтобы

P_Kmax > P_{m расс} = 2,42 Вт, I_Kmax > I_{m н}= 1,8 А, U_КЭ0max > 2?E_п = 22 В,

а f_гр/h_21Э > 5?f_вч = 400 кГц :

Найдем ток баз транзисторов (максимальный входной ток) и входное напряжение каждого транзистора оконечного каскада:

I_{Б max} = I_Kmax/h_21Э = I_{m н}/ h_21Э = 1,8/65 = 0,028А, U_{Б max} » U_{m н} = 9 В,

входное сопротивление оконечного каскада:

R_{вх ОК} = (h_21Э + 1)?R_н = 66?5 = 330 Ом.

1. Расчёт транзистора усилителя с ОЭ (VT3).

Транзистор VT3 работает в режиме А (однотактный).

Так как R_{вых ГСТ2} >> R_{вх ОК} , то

= 28 ?? (I_{m ???2}= 0). ?????

пусть = 30 мА – постоянная соста-

вляющая тока коллектора VT3.

Очевидно, что от выбора I_К0 зависит мощность, рассеиваемая на транзисторе VT3. Поэтому для того чтобы поставить маломощный транзистор, желательно I_К0 снизить.

Считая U_KЭ0 » E_п = 11 В, находим P_{m расс} = I_K0?U_KЭ0 = 0,03?11 =0,33Вт,

исходя из полученных данных, выбираем транзисторы, так чтобы

P_Kmax > P_{m расс} = 0,33 Вт, I_Kmax > I_{КЭ m}= 0,028 + 0,030 =58 мА,

U_КЭ0max > 2?E_п = 22 В, а f_гр/h_21Э > 5?f_вч = 400 кГц :

Рассчитаем коэффициент усиления VT3:

K_U = U_вых/U_вх = = =30?330/(150 + 13) = 88

Рассчитаем максимальный входной ток VT3:

I_{Б m} = I_{КЭ m}/h_21Э = 0,058/30 = 1,9 мА

Расчёт генератора стабильного тока (ГСТ2).

ГСТ является активной нагрузкой для каскада ОЭ. Он нам необходим для поддержки на входе оконечного каскада постоянного сигнала. Обыкновенный резистор не годится, так как при этом возникает смещении потенциала, и в выходной цепи возникнет нестабильность, приводящая к искажениям сигнала. Поэтому в качестве ГСТ мы будем использовать транзистор VT4 в схеме ОБ.

????????, ???????????? ?? VT4:

P_{m pacc} = I_{K0 VT4}?U_{K0 VT4} = I_{K0 VT3}?E_п = 0,03?11 = = 0,33Вт, исходя из полученных данных, выбираем транзисторы так,

что P_Kmax > P_{m расс} = 0,33 Вт,

I_Kmax > I_{КЭ m}= 0,028 + 0,030 =58 мА,

U_КЭ0max > 2?E_п = 22 В,

а f_гр/h_21Э > 5?f_вч = 400 кГц :