Усилитель вертикального отклонения осциллографа

Уральский государственный технический университет

Кафедра ФМПК

19.02 520000 012 ПЗ

Студент: Лебедев В.В.

Руководитель: Стрекаловская З.Г.

Н. Контролёр Замараева И.В.

Группа: ФТ-429

1998 г.

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

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

Входной сигнал:

Экспоненциальный импульс отрицательной полярности.

Uвх=(10÷500)мВ

τи=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

α=0.976

β=40

fв=15мГц

Uвых<±10В

IКб0<10мкА

IКмах=100мА

PКмах=7Вт (с теплоотводом)

Ск=45пФ

Тип p-n-p

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

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

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<

Пусть R1=10кОм и R2=1кОм ⇒ 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

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*φт=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+β)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+γ*K0

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

RЭ=γ* RК=445Ом ⇒ RЭ1=RЭ-RЭ≈4кОм-430Ом≈3,6кОм

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

Входная проводимость:

G11= IК0/м*φт*β=6.4*10-3

φт – тепловой потенциал

rвх =1/g11=156 Ом

rэ=φт/IЭо=1.27Ом

сопротивление базы транзистора

rБ=rвх-βrЭ=105Ом

Расчёт по переменному току:

Найдём нижнюю частоту

Рассчитаем верхнюю частоту всего усилителя по формуле:

Обеспечим при этом длительность фронта равной:

τФ=0.35/fВ=0.34 мкс

что для τИ=5мкс составляет менее 7%

Рассчитаем нижнюю частоту всего усилителя по формуле

fн= fнпр+fнфаз+fнокон=5+16+260=281Гц

Для предварительного усилителя

τнпр=С4*Rвх=0.1с

fнпр= 1/(2π*τнпр)=1.6 Гц

Для фазоинвертора

τнфи=С7*R10=0.01с

fнфи= 1/(2π*τнфи)=16 Гц

Для предоконечного каскада

τнпре=С8*Rвх=1с

fнпре= 1/(2π*τнпре)=0.2 Гц

Для оконечного каскада

fнокон=260 Гц

RЭоб=0.5RЭ1=1780Ом

Расчет транзисторов на мощность

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

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.