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=(10500)мВ

_и=5мкс

Выходной сигнал:

U_вых=250В

Нагрузка:

R_н=250кОм

Входное сопротивление:

R_н>100кОм

Элементная база:

Использовать ИМС.

Диапазон температур:

T=(2020)⁰C

Справочные данные на элементы.

Микросхемы

Микросхема 140УD5А

U_Uпит=12В

К_уU=1500125000

R_вх=100кОм

R_вых<1кОм>

f₁=15мГц

U_вых<4В

Микросхема 140УD10

U_Uпит=(516)В

К_уU=50

R_вх=1мОм

R_вых<1кОм>

f₁=15мГц

Транзистор 2Т888А

U_КЭмах=900В

=0.976

=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.

Коэффициент 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)

Нижняя граничная частота при C₁=1мкФ

Возьмём 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

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

Пусть 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

Верхняя 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 К_021 когда R₂<1

Пусть R₁=10кОм и R₂=1кОм  K_021

Для обеспечения симметричного выхода сделаем R₂ – переменным сопротивлением

Верхняя граничная частота для 140УD10 – равна 15МГц

Нижняя граничная частота равна:

Необходимо 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.

Уравнение 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=1640016 кОм

R₁=112272 Ом110 кОм

R_Б14кОм

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

Определим крутизну

S=I_К0/м*_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+)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+*K₀

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

R_Э=* R_К=445Ом  R_Э1=R_Э-R_Э4кОм-430Ом3,6кОм

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

Входная проводимость:

G₁₁= I_К0/м*_т*=6.4*10^-3

_т – тепловой потенциал

r_вх =1/g₁₁=156 Ом

r_э=_т/I_Эо=1.27Ом

сопротивление базы транзистора

r_Б=r_вх-r_Э=105Ом

Расчёт по переменному току:

Найдём нижнюю частоту

Расчёт граничных частот

Рассчитаем верхнюю частоту всего усилителя по формуле:

Обеспечим при этом длительность фронта равной:

_Ф=0.35/f_В=0.34 мкс

что для _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

_нпр=С₄*R_вх=0.1с

f_нпр= 1/(2*_нпр)=1.6 Гц

Для фазоинвертора

_нфи=С₇*R₁₀=0.01с

f_нфи= 1/(2*_нфи)=16 Гц

Для предоконечного каскада

_нпре=С₈*R_вх=1с

f_нпре= 1/(2*_нпре)=0.2 Гц

Для оконечного каскада

f_нокон=260 Гц

R_Эоб=0.5R_Э1=1780Ом

Расчет транзисторов на мощность

Обозначение	Рассеиваемая мощность	Примечания
R1	0.0625 мкВт
R2	0.625 мкВт
R3	2,5 мкВт
R4	17мкВт
R5	5мкВт
R6	0.272мВт
R7	80мкВт
R8	0.435мВт
R9	1.7мВт
R10	10мВт
R11	0,14Вт
R12	0.18Вт
R13,R20	0.91Вт
R14,R21	0.4Вт
R15,R19	5.4Вт	Необходим радиатор
R16,R18	1.7Вт
R17	1Вт

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.