МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

Факультет компьютерных технологий и информатики

Кафедра систем автоматизированного проектирования

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Высококачественный усилитель переменного тока»

Вариант 2

Выполнила: Бундина Л.А.

Студентка гр. 0301

Проверил: Соколов Ю.М.

Санкт-Петербург

2010

Содержание

Техническое задание ……………………………………………………………………….…3

1. Теоретическое исследование ……………....……………………………………………..4

   1. Исследование на основе инвертирующего РУ ………………...………………….…4

   2. Исследование на основе не инвертирующего РУ ……………...………………....…6

   3. Исследование усилителя на основе двух усилительных подсхем …..……………...8

2. Экспериментальное исследование усилителя переменного тока с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS …………………...10

   1. Усилитель на одном не инвертирующем РУ ……………………………………….10

   2. Усилитель на одном не инвертирующем и инвертирующем РУ …………………12

3. Моделирование усилителя переменного тока в системе Multisim …………………….14

   1. Усилитель с одной усилительной подсхемой ……………………………………....14

   2. Усилитель с двумя усилительными подсхемами …………………………………..16

4. Проектирование мощного выходного каскада усилителя ……………………………...18

Заключение …………………………………………………………………………………….21

Список литературы …………………………………………………………………………....22

Приложение 1: Принципиальная схема усилителя ………………………………………....23

Приложение 2: Номенклатура ………………………………………………………………..24

2

Техническое задание.

Параметры	Значения
Коэффициент усиления в полосе пропускания Ku	1000
Нижняя граничная частота полосы пропускания , Гц	50
Верхняя граничная частота , кГц, не менее	20
Входное сопротивление, кОм	100
Постоянное напряжение на выходе Uвых В, не более	0,5
Максимальное выходное напряжение Uвых м В	10
Максимальный ток нагрузки Iн м А	1,2

3

1. Теоретическое исследование.

Цель: ознакомление с принципами построения неинвертирующих и инвертирующих решающих усилителей, представляющих собой комплексную схему из операционного усилителя и внешних элементов, образующих цепь отрицательной обратной связи.

1. Исследование инвертирующего РУ

Усилитель аналогичен схеме инвертирующего РУ с разделительным конденсатором С1 на входе, представлен на рис.1.1 (ФГ – функциональный генератор, АБ – анализатор Боде).

Рис.1.1

На рис.1.2 представлены асимптотические ЛАФЧХ операционного усилителя (1) и усилителя переменного тока (2), где - частота среза ОУ; - соответственно верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания усилителя переменного тока, на которых модуль коэффициента усиления снижается на 3 дБ по сравнению с максимальным значением; - полоса пропускания усилителя.

Рис.1.2

4

Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя переменного тока в полосе пропускания определяются схемными функциями инвертирующего РУ.

; (1.1)

Частотная характеристика усилителя переменного тока в области нижних частот целиком формируется конденсатором С1, в области верхних частот она зависит от частотных свойств скорректированного ОУ, при этом граничные частоты определяются соотношениями

; (1.2)

Расчет.

Из соотношения R1= =100 кОм;

R2 = |Ku|*R1 = 1000*100 кОм = 100 Мом

Сопротивление R2 очень большое, практически трудно реализуемо, следовательно в схеме рис.1.1 не удастся получить совместно большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление.

2. Исследование неинвертирующего РУ.

Усилитель аналогичен схеме неинвертирующего РУ, конденсатор С2 используется для минимизации входного напряжения покоя усилителя, представлен на рис.2.1.

Рис.2.1

6

Частотная характеристика усилителя аналогично характеристике 2, представленной на рис.1.2. В полосе пропускания (С1 и С2 – к.з.) имеем частный случай неинвертирующего РУ.

При этом получаем: ; (2.1)

Нижняя граничная частота: (2.2)

Верхняя граничная частота f_в зависит от инерционных свойств операционного усилителя и обратно пропорциональна коэффициенту усиления всего усилителя переменного тока.

Таким образом, при использовании одного неинвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления (100…1000) и большое (1…10МОм) входное сопротивление усилителя, но при этом существуют определенные трудности в реализации высокой верхней граничной частоты f_в.

Расчет.

Выберем емкость: С1 = С2 = 1 мкФ

Из соотношения (2.2): R1 = = 1/(2*3.14*50*10^-6)  3.185 кОм

Из соотношения (2.1) получаем: R3 = R_ВХ =100 кОм

R2 = (K_U-1)R1 = (1000-1)3185 3.182 Мом

Убеждаемся, что конденсатор С1 cтановится «проходным» на более низких частотах, чем конденсатор С2, и тем самым практически не влияет на нижнюю граничную частоту

=10/(2*3.14*1*1)=1.592 Гц1.6 Гц ,

7

1.3.Построение усилителя на основе двух усилительных подсхем

Рис.3.1

От недостатка усилителя, изображенного на Рис.2.1, свободна схема усилителя переменного тока, представленная на Рис.3.1. Этот усилитель состоит из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на не инвертирующем РУ(DA1;R1;R2;R3), что позволяет обеспечить большое входное сопротивление усилителя переменного тока; входная подсхема представляет собой инвертирующий РУ(DA2;R4;R5) и используется для получения высокого коэффициента усиления K_U всего усилителя переменного тока. В полосе пропускания:

(3.1)

Из графиков, приведенных на Рис.1.2 следует, что для получения наибольшей верхней граничной частоты усилителя (Рис.3.1) целесообразно выбирать коэффициенты усиления инвертирующего и не инвертирующего РУ по модулю примерно одинаковыми.

Нижняя граничная частота: (3.2)

Ручной расчет схемы Рис.3.1 – подготовка к моделировании в системе Multisim

Рекомендации: желательно, что бы все вычисленные сопротивления были не больше 3 Мом, а выбираемая емкость не более 3 мкФ.

Выберем емкость С1=С2=1 мкФ.

Из соотношения (3.2):

R4= =1/(2*3.14*50*10^-6) 3.185 кОм

Для получения наибольшей частоты коэффициенты и должны быть примерно одинаковыми, тогда

|Kuи|= =31,6;

8

R5=|Kuи| R4 = 31.63185 = 100,646 кОм

Это для инвертирующего РУ. Для не инвертирующего РУ: R3= .

Зададим R1=1 кОм, тогда R2 =(Kuни-1)*R1=30,6 кОм

Убеждаемся, что конденсатор С1 становится «проходным» на более низких частотах, чем конденсатор С2, и тем самым практически не влияет на нижнюю граничную частоту :

=10/(2*3.14*1*1)=1.6 Гц ,

9