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.                                                                                           3

2.                                                                        3

3.                                                    4

4.                                                          5

5.                                                                6

6.                                                                     7

7.                                                                      9

8.                                                                       11

9.                                                                 15

10.                                                                                   16

11.                                                         17

12.                                                                                 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.

Uвх=(10¸500)мВ

tи=5мкс  

          Выходной сигнал:

Uвых=250В

          Нагрузка:

Rн=250кОм

          Входное сопротивление:

Rн>100кОм

Элементная база:

Использовать ИМС.

Диапазон температур:

T=(20±20)0C

Справочные данные на элементы.

Микросхемы

Микросхема         140УD5А

UUпит=±12В

КуU=1500¸125000

Rвх=100кОм

Rвых<1кОм

f1=15мГц

Uвых<±4В

Микросхема         140УD10

UUпит=±(5¸16)В

КуU=50

Rвх=1мОм

Rвых<1кОм

f1=15мГц

Транзистор 2Т888А

UКЭмах=900В

a=0.976

b=40

fв=15мГц

Uвых<±10В

IКб0<10мкА

IКмах=100мА

PКмах=7Вт (с теплоотводом)

Ск=45пФ

Тип p-n-p

Структурная схема усилителя

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

Структурная схема усилителя

          Uвх       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 СI

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, fВ=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: К­0=3 он зависит от величен сопротивлений R5  и R6

При R5=10кОм и R6=20кОм коэффициент усиления составит K0min=3

Пусть максимальный коэффициент усиления составит K0мах=4

Следовательно R7=R5(K0min-1)-R6=10кОм

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

Нижняя граничная частота при C3=1мкФ

          Параметры всего ПУ

Коэффициент усиления всего ПУ: K0=K01K02K03

K0max=K01K02K03=1024

K0min=K01K02K03=768

Верхняя граничная частота:

FВПУ=2.9 МГц

Нижняя граничная частота

 fн= f1+f2+f3=5Гц

Расчёт фазоинвертора:

                                      С2                         DA1

                                                    +

                                                    -   

                                                     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:

Необходимо чтобы FН1=FН2 (нижние граничные частоты обоих плеч были одинаковые )

Вожмём С1=1мкФ тогда:

Т.К. RВХповт=RВхоу=1 МОм=100R1,

то чтобы FН1= FН2  следует взять С2=0,01C1=0.01 мкФ

Расчёт оконечного каскада

        R1                      Rк                                       

                              Cc2           Cc4

        Cc1                                                           Cc3

                           VT1               VT2

        R2                  Rэ                                                       

                             CЭ          Rэоб

                                      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:

IКмах=40мА

Динамическая линия нагрузки транзистора               

              I мА

        40

                                      Р.Т.

        20       

          0   100               350                     700                UкэВ

                                      Рис. 4

Возьмем RЭ=4кОм и RК=13.5кОМ

Рабочая точка:  IК0=20мА UКЭ0=350В

 

Найдем рассеиваемую мощность

PRк=5.4Вт   и        PRэ=I2Э0*RЭ=1.7Вт

Произведём расчёт базового делителя:

Пусть Iдел=5мА

UЭ0= IЭ0*RЭ=20мА*4кОм=82В  - напряжение на эмиттере

UБ0= UЭ0*UБЭ=82.5В - напряжение на базе

R2= UБ0/Iдел=16400»16 кОм    

R1=112272 Ом»110 кОм

RБ»14кОм

Найдём коэффициент термонестабильности NS=1+RБ/RЭ=4,6

Определим крутизну

S=IК0/м*jт=256мА/В

Рассчитаем gэкв

gК=1/RК=1/13.5=7.4*10-5 Cм

gн=1/Rн=4*10-6 Cм

gi=h22=(1+b)IКбо/UКэо=1.177*10-6 Cм

gэкв=gi+gн+gк=7.93*10-5 Cм

Рассчитаем коэффициент усиления

KO=S/gэкв=3228

Введём О.О.С. разделив сопротивление RЭ

Пусть K0*=30 тогда K0*= K0/1+g*K0

g=RЭ/RК=0.033     RЭ - сопротивление  О.О.С.

Э=g* RК=445Ом            Þ RЭ1=RЭ-RЭ»4кОм-430Ом»3,6кОм

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

Входная проводимость:

G11= IК0/м*jт*b=6.4*10-3

jт – тепловой потенциал

rвх =1/g11=156 Ом

rэ=jт/IЭо=1.27Ом

сопротивление базы транзистора

rБ=rвх-brЭ=105Ом

Расчёт по переменному току:

Найдём нижнюю частоту

Расчёт граничных частот

Рассчитаем верхнюю частоту всего усилителя по формуле:

Обеспечим при этом длительность фронта равной:

tФ=0.35/fВ=0.34 мкс

что для tИ=5мкс составляет менее 7%

 Рассчитаем нижнюю частоту всего усилителя по формуле

fн= fнпр+fнфаз+fнокон=5+16+260=281Гц

Для предварительного усилителя

tнпр=С4*Rвх=0.1с

fнпр= 1/(2p*tнпр)=1.6 Гц

Для фазоинвертора

tнфи=С7*R10=0.01с

fнфи= 1/(2p*tнфи)=16 Гц

Для предоконечного каскада

tнпре=С8*Rвх=1с

fнпре= 1/(2p*tнпре)=0.2 Гц

Для оконечного каскада

fнокон=260 Гц

RЭоб=0.5RЭ1=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.