Московский институт электронной техники

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

НА ТЕМУ:

ПРЕЦИЗИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

С МОЩНЫМ ВЫХОДОМ

Выполнил студент группы ЭКТ-32: Иванов А.С.

Преподаватель: Кузнецов С.Н.

2002

Техническое задание.

Необходимо спроектировать прецизионный усилитель согласно следующим требованиям:

Коэффициент усиления К = 4000;

Коэффициент частотных искажений М_н = М_в 0.5 дБ;

Нижняя граничная частота f_н = 20 Гц;

Нестабильность коэффициента усиления К_, % < 1

Верхняя граничная частота, f_в = 15000 Гц;

Максимальная амплитуда входного сигнала U_m,вх,max = 3 мВ;

Сопротивление нагрузки R_н = 16 Ом;

Входное сопротивление R_вх = 20 кОм;

Диапазон температур T = (-10  +50)C;

Введение.

Прецизионные усилители характеризуются стабильным коэффициентом усиления в заданном диапазоне рабочих частот и температур. Они широко используются в системах сбора данных, в устройствах выборки и хранения сигнала, телеметрических системах и измерительной технике. Основным звеном прецизионного усилителя является операционный усилитель.

Операционные усилители представляют собой усилители постоянного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и входных токов и с высоким коэффициентом усиления. Преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

Операционный усилитель почти всегда охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и определяют свойства схемы с ОУ.

Коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения.

Проведем анализ технического задания.

Данный усилитель является прецизионным (обеспечивает высокостабильное усиление при низком входном сигнале). Согласно техническому заданию коэффициент усиления составляет 4000. Так как в ТЗ нет строгого ограничения на входное сопротивление, будем считать его достаточно низким, чтобы включить первый каскад инвертирующим. Удобно таким же образом включить и остальные каскады, т. к. в этом случае схема будет состоять из меньшего числа элементов.

Параметры операционного усилителя должны удовлетворять следующим условиям:

1. Максимальное выходное напряжение операционного усилителя U_вых

U_вых  1.2U_{m вых. max} = 1.2К₀ U_{m вх,max} = 14,4В;

2.Скорость нарастания выходного напряжения ОУ:

V_{u вых}  2f_вU_{m вых. max} = 1,1 В/мкс;

3. Величина напряжения источника питания U_п =15В.

4. Нестабильность коэффициента усиления ОУ К можно определить из сдующей формулы:

_max,

где - температурный дрейф коэффициента,

Т_{мах -} максимальный интервал температур.

Следовательно:

К = 12.5

Теперь пользуясь полученными данными, рассчитаем для различного числа каскадов, величину К_R – относительную погрешность коэффициента усиления ПУ. Для этого воспользуемся формулой (принимая К=50000):

;

n' = 1 = -3

n' = 2 = 0,44

n' = 3 = 0,315

принимаем = 0,1%

Отрицательное значение при n`=1 значит, что ПУ с заданными характеристиками не может быть реализован ни на одном каскаде. При n»2 требования выполняются. Для того чтобы определить количество каскадов рассчитаем частоты единичного усиления. Получим следующие результаты:

переведем коэффициент частотных искажений из дБ в безразмерную величину исходя из формулы М_в(дБ) = 20*lg М_в  М_в  1.01,

тогда по следующей формуле:

рассчитаем

при n`=2 f ₁=50МГц;

n`=3 f ₁=0,1МГц;

Мы видим, что при n=2 величина f ₁ велика для серийно выпускаемых операционных усилителей. Следовательно, необходимо выбирать три каскада.

Итак, получены следующие параметры необходимые для выбора подходящего ОУ:

U_п =15В;

U_вых 14,4В;

V_{u вых} 1,1 В/мкс;

R_н=16 Ом;

f₁10МГц;

Согласно имеющимся справочным данным наиболее подходящий полученным требованиям и требованиям технического задания оказывается усилитель K544УД2А. Этот усилитель являетсябыстродействующим, т.е. имеет на одном кристалле более одного (а именно три) однотипных ОУ, что позволит в нашем случае реализовать ПУ на одной микросхеме.

Приведём ряд данных по этому усилителю (для одного канала).

Питание от 3.0 до 16.5 В.

При U_п=15В имеем следующие характеристики:

-Коэффициент усиления К=96(минимум);

-Напряжение смещения нуля U_см = 20мВ (типовое);

-Входные токи I_вх=50 пА;

-Частота единичного усиления f₁ = 15 МГц ;

-Скорость нарастания выходного напряжения V_{u вых} = 20 В/мкс;

-Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_{ос сф} =100 дБ;

-Потребляемый ток в рабочем промежутке температур I_пот = 120 мА;

-Максимальное выходное напряжение U_{вых.мах} = 15 В;

Необходимая амплитуда синусоидального напряжения на выходе УМ:

Амплитуда тока:

Напряжение питания равно: U_п = | U_п2 | = U_п1; U_п = U_mн + U_{КЭ min} = U_mн + (2÷5) В = 15В,

где принимаем U_{КЭ min} = 2 В.

Ток потребляемый в режиме максимальной отдаваемой мощности:

Выбор резисторов цепи О.О.С.

Теперь необходимо выбрать тип и номиналы резисторов. В силу того, что проектируемое устройство – прецизионный , т.е. высокоточный усилитель, резисторы следует выбирать так же прецизионные, т.е. имеющие малые допуски R(0.050.1)%. Необходимыми параметрами обладают резисторы группы С2-29В. Параметры: пределы номиналов от 1 Ом до 6МОм, допуск отклонения от номинала 0.1%,

• Расчет ведем по следующим формулам:

откуда получаем следующие значения резисторов:

R2=91кОм;

R₁ = R₄ = 4,3кОм; R₅ = 82кОм ;. (ряд Е24)

• Теперь необходимо рассчитать значения R₃ и R₆

Примем значение С₁=С₂=1 мкФ, воспользуемся нижеприведенной формулой:

Примем =0,05дб одного каскада.

,

и =.

R₃ = R₆=620кОм. (ряд Е24)

Выбор транзисторов выходного каскада VT5, VT6 производим с учетом следующих условий:

U_{КЭ max} > 1,2 (U_п1 + | U_п2 | ) = 36 В;

I_{К max} > I_mн ( при U_КЭ = U_{КЭ min} ) = 0,26 А;

P_{К max}> P_p( при T_{c max} = 70^oC = 343 К ) = 1,46 Вт;

Этим условиям удовлетворяют транзисторы КТ817Б и КТ816Б.

Вот параметры этих транзисторов:

VT5 – КТ817Б: n-p-n VT6 – КТ816Б: p-n-p

I_{к max} = 3А I_{к max} = 3А

U_{к max}= 45В U_{к max}= 45В

P_{к max} = 25Вт P_{к max} = 25Вт

h_{21 э}= 25 h_{21 э}= 25

T_{п max} =150C T_{п max} =125C

R_пк= 5С/Вт R_пк= 5С/Вт

Т_к= 25С Т_к= 25С

Температура окружающей среды для обоих транзисторов +100С

Эффективность работы транзисторного выходного каскада в режиме В (АВ) на верхних частотах заданного диапазона (отсутствие или ограничение величины так называемого «сквозного тока») может быть обеспечена только при выполнении условия

,

где h_21э – коэффициент усиления тока в схеме ОЭ; f_h21э – частота, на которой | h_21э | = h_21э/; f_T – частота, на которой | h_21э | = 1; f_B – заданная верхняя граничная частота усилителя.

Кроме того, для устойчивой работы усилителя с глубокой обратной связью, охватывающей ОУ и УМ, желательно, чтобы выполнялось условие

,

где f₁ – частота единичного усиления ОУ (для ОУ К544УД2A – 15 МГц).