Розробка схеми підсилювача напруги

ЗМІСТ
ВСТУП ..................................................................................................................... 2
1 РОЗРАХУНОК НЕВІДОМИХ ВЕЛИЧИН ТАБЛИЦІ ..................................... 3
2 РОЗРАХУНОК ВХІДНОГО КАСКАДУ ........................................................... 4
3 РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ КАСКАДІВ ........................................ 9
ВИСНОВКИ........................................................................................................... 19
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ............................................................. 20
ДОДАТКИ.............................................................................................................. 21
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
Змн. Лист № докум. Підпис Дата
Розроб. Літ. Арк. Акрушів
Перевір. Євчук Розробка підсилювача електричних 1 23
Реценз. сигналів
Н. Контр. Рудзінський ІФНТУНГ
Затверд.
ВСТУП
Не дивлячись на те, що за останні роки основним напрямком розвитку
електроніки можна вважати телекомунікаційні цифрові мережі, поряд з ними
продовжують експлуатуватися і вдосконалюватися засоби передачі
аналогового сигналу. Вони використовуються на виробництві, для зв’язку
віддалених інтелектуальних датчиків, в лабораторіях для передачі
вимірюваної інформації.
Здебільшого для передачі аналогового сигналу на значні віддалі
використовується постійний струм. Зміни струму відображають зміну даних.
Для передачі інформації можуть також використовуватися зміни частоти,
фази змінного струму, чи їх поєднання. На незначні віддалі аналогові
сигнали можуть передаватися за допомогою напруги.
Для підготовки сигналів широко використовуються підсилювачі
електричних сигналів. Крім цього підсилювачі можуть використовуватися
для підготовки сигналу в системах керування механічними виконуючими
вузлами. Тому їх розробка є важливою задачею
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
2
1 РОЗРАХУНОК НЕВІДОМИХ ВЕЛИЧИН ТАБЛИЦІ
Вхідний опір ...............................................................................800 кОм
Вихідний опір .............................................................................35 Ом
Нижня частота смуги пропускання ..........................................200 Гц
Верхня частота смуги пропускання .........................................150 кГц
Коефіцієнт нерівномірності коефіцієнта
передачі нижньої частоти ..........................................................0.2 дБ
Коефіцієнт нерівномірності коефіцієнта
передачі верхньої частоти .........................................................0.2 дБ
Мінімальна температура ............................................................-15
Максимальна температура ..........................................................33
Максимальна вхідна напруга ......................................................0.1
Максимальна вихідна напруга ...................................................100В
Коефіцієнт гармонік менший .....................................................0.35%
Коефіцієнт підсилення .....................................................100/0.1=1000
Мінімальний опір джерела сигналу ....................800000/10=80000 Ом
Вхідний струм ....................................................0.1/800000=0.125 ·10 -6 А
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
3
2 РОЗРАХУНОК ВХІДНОГО КАСКАДУ
Вибираємо вхідний каскад на польових транзисторах. Вибираємо
повторювач.
Для забезпечення високого вхідного опору варто використати
повторювач напруги на польовому транзисторі.
Польові транзистори часто використовують в витокових повторювачах.
За допомогою них просто отримати високий повний вхідний опір. Тому
повторювач на польовому транзисторі часто використовують як вхідний
каскад в осцилографах та інших вимірювальних пристрях.
На рис.2.1 показано напростіший витоковий повторювач.
Рисунок 2.1- Витоковий повторювач
Витоковий повторювач має вихідний опір 1/gm. Витокові повторювачі
дуже схожі до джерел ЕРС. Але схема має два недоліки:
1. Відносно високий вихідний повний опір означає, що амплітуда
вихідного сигналу може бути значно менша, ніж амплітуда вхідного сигналу,
навіть при значному повному опорі навантаженні, оскільки будь-яке Rн
утворює в поєднанні з вихідним опором витоку подільник. Крім того як
тільки струм стоку змінюється на протязі періода сигналу, gм і разом з ним
вихідий опір будуть змінюватися, спричиняючи зміну вихідного сигналу
(спотворення).
Цю ситуацію можна покращити, використовуючи польові транзистори
з великою крутизною, але кращим вирішенням є комбінований повторювач.
2. Оскільки параметр Uзв при виготовленні важко контролювати, то
витоковий повторювач має непередбачуване зміщення по постійному струму.
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
4
Це суттєва проблема при використанні в схемах зі звязками по
постійному струму. Використання декількох елементів може покращити
параметри повторювача.
Опір Rн можна замінити на джерело струму (рис.2.2). Постійний струм
витоку стабілізує напругу Uзв, а це усуває нелінійність. Для простоти можна
вважати, що Rн стає безмежним.
Рисунок 2.2- Спосіб покращення витокового повторювача
Такий ефект створює джерело струму в якості навантаження. Така
схема зображена на рисунку 2.3.
Рисунок 2.3- Схема покращеного витокового повторювача
Ця схема має ще одну перевагу- малий вихідний опір при збереженні
приблизної стабільності струму стоку Uбе/Rзм. Однак існує проблема
непередбачуваної (а тому ненульової) напруги зміщення від входу до виходу
Uзв. Для даної ення входу непередбачуваного ( а тому ненульового і
приблизної стабільності струму стоку зками по постійому струмусхеми
вихідна напруга визначається сумою напруги сток-витікта емітер-база.
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
5
Регулювати напругу стік-витік можна змінюючи струм стоку. Однак він не
залишається стабільним із зміною температури.
Кращими властивостями володіє узгоджена пара польових транзисторів (рис.2.4).
Рисунок 2.4- Схема повторювача на узгодженій парі транзисторів
VT1 та VT2 – узгоджена пара транзисторів на окремому кремнієвому
кристалі. VT2 відбирає струм точно такий який буде при Uзв=0, тоді
оскільки на двох польових транзисторах Uзв=0 VT1 є повторювачем із
нульовим зміщенням. Оскільки обидва транзистори знаходяться в одних
температурних умовах, зміщення залишається майже нульовим при різних
температурах.
Зазвичай до попередньої схеми добавляють невеликі витокові
резистори. Резистори задають робочий струм транзистора і задають
зміщення. Рівність резисторів гарантує рівність вхідної та вихідної напруги
якщо транзистори узгоджені. Така модифікація схеми покращує
передбачуваність струму стоку та покращує лінійність оскільки польовий
транзистор має кращу лінійність при струмах менших початкового струму
стоку.
Риунок 2.5-Вхідна характеристика транзистора 2N3819
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
6
Вибираємо напругу на затворі посередині лінійної ділянки вхідної характеристики, тобто 2В. При цьому струм стоку буде 4мА. Тоді опір в колі витоку буде
2 / 0 . 004 = 500 Ом
Схема вхідного підсилювача зображена на рис
R4
1meg
IN J1
C1 V1
V0 1u
R2
500 OUT
J2 V2
R3
500
Рисунок 2.6- Схема повторювача Напруги і струм в колах схеми зображено на рис
R4 R4
1meg 1meg
IN J1 20 IN 22.979p J1
0 0 C1 22.979u V1 C1 22.979p V1 4.00
V0 1u 2.002 V0 1u
R2 R2 4.003m
500 OUT 500 OUT
22.927u 22.927u
J2 V2 22.979p J2 V2 4.00
-20 4.004m
-17.998
R3 R3
500 500
Рисунок 2.7- Розраховані напруги а) та струми б) повторювача на постійному струмі Результати моделювання роботи каскаду наведено на рис.2.8
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
7
60.000m 60.000m !EL7.CIR
40.000m
20.000m
0.000m
-20.000m
-40.000m 0.000m 0.400m 0.800m 1.200m 1.600m 2.000m
v(in) v(out)
T
1.000m 1.000m
0.800m
0.600m
0.400m
0.200m
0.000m 0.000K 300.000K 600.000K 750.000K
THD(HARM(v(out)),1k)
f
Рисунок 2.8- Результати досліджень коефіцієнта нелінійних спотворень
при моделюванні
-838.400m -838.400m !EL7.CIR Temperature=-15...33
-840.000m
-841.600m
-843.200m
-844.800m
-846.400m -846.400m 200 1K 10K 100K 150K
db(v(out))
F
Рисунок 2.9 Результати досліджень АЧХ каскаду при моделюванні
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
8
3 РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ КАСКАДІВ
Наступний каскад підсилення побудовано з використанням
біполярного транзистора. Схему такого підсилювача наведено на рис.3.1
Рисунок 3.1- Схема підсилювача на біполярному транзисторі
Коефіцієнт передачі такого підсилювача визначається співвідношенням
Rk та суми Re+re( внутрішній опір емітера). Внутрішній опір емітера
залежить від струму колектора. Здебільшого ним нехтують якщо опір Re
більший декількох сотень Ом.
Вхідний опір визначається паралельним включенням базових
резисторів і вхідного опору транзистора, який приблизно визначається
добутком Re*h .
21e
Вихідний опір приблизно рівний колекторному опору Rk.
При розрахунку здебільшого струм базового кола Ізм (R , R )
Б1 Б2
вдесятеро менший за струм колекторного кола Ік. При стрмі від одиниць
міліампер коефіцієнт передачі транзистора набагато більший за 10 тому
вплив струму I на Ізм мізерний. Тому ми ним нехтуємо.
Б
Важливим для мінімізації спотворень сигналу є вибір робочої точки
транзистора. В режимі малого сигналу достатньо забезпечити на виході Uвих
половину напруги живлення Vсс. В режимі сильного сигналу треба
аналізувати вихідні характеристики транзистора. Можна вважати вихідні
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
9
характеристики віялоподібні. Якщо знайти вузол де вони сходяться можна
отримати сімейство ВАХ (рис.3.2).
Рисунок 3.2- Спосіб апроксимації вихідних характеристик. Вибираємо робочий струм базової ланки підсилювального каскаду.
Вихідний струм повторювача на польових транзисторах 0.1/500=0.0002 А.
Вибираємо струм кола бази 0.2мА. Для забезпечення вихідної напруги ±100В
вибираємо напругу живлення ±150В. В режимі малого сигналу вибір робочої
точки транзистора можна спростит. Опір базових резисторів
300/0.0002=1500000. Колекторний струм буде 0.0002*10=0.002А.
Для забезпечення на виході 0В не колекторному резисторі повинно
спадати 150В. Тоді резистор буде 150/0.002=75000Ом.
Вибираємо попередній коефіцієнт підсилення каскаду 10. Тоді еміерний
резистор буде 75000/10=7500. При протіканні по ньому струму 0.002А на
ньому буде спадати 7500*0.002=15В.
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
10
Для забезпечення цієї напруги на базі повинно бути 15.6В. Оскільки по базовому колі протікає струм 0.0002, то спад напруги 15.6В буде на резисторі
15.6/0.0002=78000.
враховуючи загальний базовий опір 1500000 Ом верхній базовий резистор буде
1500000-78000=1422000.
На рис.3.3 наведено результати моделювання роботи каскаду на постійному струмі.
V3 V3
2.177m
150
R31 R30 R31 R30
1.4meg 75k 1.4meg 75k
OUT1 203.231u OUT1
1.982 1.982
-134.523 4.813u 1.974m
0 Q2 Q2
C2 100u 0 C2 100u 1.978m
-135.162
198.418u
V5 R32 R29 V5 R32 R29
78k 7.5k 78k 7.5k
-150
V4 2.177m V4
Рисунок 3.3- Розподіл напруги а) і струмів б) схеми отримані в результаті моделювання. Амплітудно-частотна зарактеристика каскаду наведно на рис.3.4
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
11
19.050 19.050 !EL7.CIR Temperature=-15...33
18.900
18.750
18.600
18.450
18.300 200 1K 10K 100K 150K
db(v(36))
F
Рисунок 3.4- АЧХ підсилювального каскаду
Коефіцієнт підсилення вийшов дещо менший через вплив
внутрішнього емітерного опору транзистора. Для компенсації зменшення
коефіцієнта підсилення збільшимо колекторний опір резистора до 90кОм.
Для згладження АЧХ в смузі пропускання в колі емітера ввімкнено
коректуючу RC ланку. А для узгодження із наступним каскадом підсилення
використано емітерний повторювач. Загальна схема каскаду підсилення
зображена на рис.3.5.
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
12
V3
R31 R30
1.4meg 90k
OUT1 Q14
Q2
C2 100u C4 100u
R63
18k
R32 R29 R62 1.5k
78k 7.5k
C14
0.02n
V4
Рисунок 3.5- Загальна схема підсилювального каскаду
Результуюча АЧХ зображена на рис.3.6.
20.280 20.280 !EL7.CIR Temperature=-15...33
20.240
20.200
20.160
20.120
20.080 200 1K 10K 100K 150K
db(v(18))
F
Рисунок 3.6- АЧХ розробленого каскаду підсилення Базовий струм наступного каскаду 2мА. Відповідно опір базових резисторів
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
13
300/0.002=150000 Ом.
Струм кола колектора 20 мА. Тоді для забезпечення вихідної напруги
близько 0 на колекторному резисторі буде спадати 150В і його опір буде
150/0.02=7500.
Для забезпечення підсилення в 10 разів опір емітерного резистора
7500/10=750.
Спад напруги на емітерному резисторі
750*0.02=15В.
На базі буде 15.6В. Тоді нижні опір базового кола
15.6/0.002=7800.
Верхній опір
150000-7800=142200.
Схема каскаду зображена на рис.3.7.
V3
R31 R30 R36 R65
1.4meg 90k 142k 9k
Q14 Q16
OUT1
Q2 Q15 OUT2
C2 100u C4 100u
R63
18k
R32 R29 R62 1.5k R37 R64 R66
78k 7.5k 7.8k 750 150
C14
V4 0.02n
Рисунок 3.7- Схема підсилювача на 100 АЧХ представлена на рис.3.8.
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
14
40.200 40.200 !EL7.CIR Temperature=-15...33
40.150
40.100
40.050
40.000
39.950 200 1K 10K 100K 150K
db(v(out2))
F
Рисунок 3.8- АЧХ каскаду підсилення на 100
Форма вхідної та вихідної напруги каскаду зображена на рис.3.9.
150.000m 150.000m !EL7.CIR
100.000m
50.000m
0.000m
-50.000m
-100.000m 0.000m 2.000m 4.000m 6.000m 8.000m 10.000m
v(in)
T
24.000
18.000
12.000
6.000
0.000
-6.000 0.000m 2.000m 4.000m 6.000m 8.000m 10.000m
v(out2)
T
50.000m 50.000m
40.000m
30.000m
20.000m
10.000m
0.000m 0.000K 250.000K 500.000K 625.000K
THD(HARM(v(out2)),1k)
f
Рисунок 3.9-Форма вихідної напруги та коефіцієнт нелінійних спотворень підсилювача на 100
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
15
Для подальшого підсилення використовується каскад із збільшеним
струмом бази до 20мА. Опір базових резисторів
300/0.02=15000
При струмі колектора 200мА опір колекторного резистора 150/0.2=750.
При цьому емітерний опір
750/10=75 Ом.
На ньому спадає
75*0.2=15В.
Напруга бази 15.6В. Опір нижнього базового резистора
15.6/0.02=780.
Опір верхнього базового резистора
15000-780=14220.
Враховуючи, що вихідний струм
100/35=2.85А
і що підсилювальні транзистори ввімкнені за схемою класу А, тобто
розсіюють потужність вдвічі більшу за вихідну, то колекторний струм
вихідного транзистора повинен бути більшим за
2.85*2=5.7А.
Для забезпечення такого струму і враховуючи, що вихідний струм
останньої ланки підсилення 200мА встановлюємо емітерний повторювач.
Для забезпечення взаємозамінності транзисторів передбачаємо коефіцієнт
передачі по струму не менший 10. Тоді для забезпечення необхідного струму
6А з 200мА треба два транзистори ввімкнених по схемі дарлінгтона.
0.2*10*10=20А.
Значит вихідному транзистору повинно вистачитиструму для
забезпечення на вихідному навантаженні 35 Ом напруги ±100В.
Схема підсиювача згідно цих міркувань наведена на рис.3.10.
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
16
V3
R31 R30 R36 R35 R56 R55
1.4meg 90k 142k 7.8k 15k 750
OUT3
Q9
Q13
Q14
Q15 OUT4
OUT1
Q2 Q3 OUT2 Q16
C2 100u C4 100u C16
R63 100u
18k
R32 R29 R62 1.5k R37 R34 R64 R57 R54 R61
78k 7.5k 7.8k 750 1k 780 73 35
C14
V4 0.02n
Рисунок 3.10- Схема підсилювача на 1000 АЧХ схеми наведено на рис.3.11, а форма вихідного сигналу і коефіцієнт спотворень на рис.3.12
48.000 !EL7.CIR Temperature=-15...33
42.000
36.000
30.000
24.000
18.000 200 1K 10K 100K 150K
db(v(out1)) db(v(out2))
F
60.225 60.225
60.150
60.075
60.000
59.925
59.850 59.850 200 1K 10K 100K 150K
db(v(out4))
f
Рисунок 3.11- АЧХ каскадів підсилення на 10, 100 та 1000
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
17
180.000 !EL7.CIR
120.000
60.000
0.000
-60.000
-120.000 0.000m 2.000m 4.000m 6.000m 8.000m 10.000m
v(out4)
T
150.000m 150.000m
120.000m
90.000m
60.000m
30.000m
0.000m 0.000K 250.000K 500.000K 625.000K
THD(HARM(v(out2)),1k)
f
375.000m 375.000m
300.000m
225.000m
150.000m
75.000m
0.000m 0.000K 250.000K 500.000K 625.000K
THD(HARM(v(out4)),1k)
f
Рисунок 3.12- Форма вихідного сигналу та коефіцієнти нелінійних спотворень підсилювача на 100 та 1000
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
18
ВИСНОВКИ
В результаті роботи над курсовим проектом розроблено схему
підсилювача напруги. Підсилювач складається із повторювача напруги на
польових транзисторах і трьох каскадів підсилення. Кожен із каскадів
забезпечує підсилення на 10. Сумарний коефіцієнт підсилення 1000. Кожен
підсилювальний каскад складається із підсилювача і емітерного повторювача
для зменшення впливу на роботу каскаду вихідного навантаження. Перший
підсилювальний каскад має коефіцієнт нелінійних спотворень близько 0.06%,
другий – 0.12% і третій 0.26%. Нерівномірність АЧХ в заданій смузі
пропускання при зміні температури від -15 до +33 °С становит +0.1/-0.75дБ
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
19
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Ленк Дж. Электронные схемы. Практическое руководство.М.:-
Мир.-1985.- 434с.
2. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки
аналоговых сигналов. М.: Радио и связь.- 1991. 376 с.
3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. 1,2 Т. М.: Мир.-
1983.
Арк.
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ
20
№ докум. Підпис Дата
ДОДАТКИ
Додаток А
Додаток Б
ДОДАТОК В
КР.АУ- 0 .00.000 ПЗ