Курсовая схемотехнике 6 вариант. курсач. Курсовой проект по дисциплине Схемотехника
 Скачать 1.26 Mb.
|
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра САПР Курсовой проект по дисциплине «Схемотехника» Тема: Высококачественное усилительное устройство переменного тока Вариант 6
Санкт-Петербург 2022 ЗАДАНИЕ на курсовую работу
Аннотация В ходе курсового проекта по теме «Высококачественное усилительное устройство переменного тока» были проанализированы 3 схемы и выбрана одна для анализа в системе NI Multisim, а также NI ELVIS. В том числе было проведено проектирование мощного выходного каскада усилителя. На заключительном этапе проектирования был оформлен чертеж принципиальной электрической схемы, выполненный в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации (ЕСКД), и список использованных элементов схемы. SUMMARY During the course project on High Quality AC Amplifier, 3 circuits were analyzed and one was selected for analysis in NI Multisim as well as NI ELVIS. Including the design of a powerful output stage of the amplifier. At the final design stage, a schematic drawing was drawn up, made in accordance with the requirements of the Unified System for Design Documentation (ESKD), and a list of used circuit elements. содержание Введение 5 1. Техническое задание 6 2. Выбор схемы усилителя переменного тока 7 2.1 Построение усилителя на основе инвертирующего решающего усилителя 8 2.2 Схемная реализация усилителя на базе неинвертирующего РУ 10 2.3 Построение усилителя на основе двух усилительных подсхем 12 3. Моделирование усилителя переменного тока в системе Multisim 14 3.1 Усилитель с одной усилительной подсхемой 15 3.2 Усилитель с двумя усилительными подсхемами 17 4. Экспериментальное исследование усилителя переменного тока в системе NI ELVIS 19 4.1 Усилитель на одном неинвертирующем РУ 20 4.2 Усилитель на инвертирующем и неинвертирующем РУ 21 5. Проектирование мощного выходного каскада усилителя 22 Заключение 25 Список использованной литературы 26 введение Целью курсового проекта «Высококачественное усилительное устройство переменного тока» является приобретение студентами навыков расчета и проектирования микроэлектронных устройств на базе систем Multisim и NI ELVIS, использования справочной литературы, оформления технической документации. При выполнении курсового проекта студенты разрабатывают функциональную и принципиальную схемы усилителя, рассчитывают и выбирают входящие в его состав компоненты, определяют уточненные статические и динамические параметры электронного устройства. На заключительном этапе проектирования оформляются пояснительная записка и чертеж принципиальной электрической схемы усилителя, выполненный в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). 1.Техническое задание Вариант 6
2.Выбор схемы усилителя переменного тока На первом этапе проектирования осуществляется выбор схемы усилителя переменного тока путем сравнения друг с другом на соответствие требованиям ТЗ инвертирующего РУ, неинвертирующего РУ и усилителя на основе двух усилительных подсхем. Для этих усилителей проводится ручной расчет схем, в результате которого исключаются из дальнейшего рассмотрения усилители, не обеспечивающие требований ТЗ. Для оставшихся усилителей осуществляется подготовка схем к моделированию в системе Multisim. 2.1 Построение усилителя на основе инвертирующего решающего усилителя (РУ) При построении усилителей переменного тока на ОУ широкое применение получила схема инвертирующего РУ с разделительным конденсатором на входе, представленная на рис. 2.1 (здесь ФГ – функциональный генератор, АБ – анализатор Боде). Наличие конденсатора C1 позволяет минимизировать выходное напряжение покоя усилителя и осуществить развязку по постоянному току между входом РУ и выходом ФГ.  Рисунок 2.1 – Схема инвертирующего РУ с разделительным конденсатором на входе На рис. 2.2 представлены асимптотические ЛАЧХ разомкнутого операционного усилителя DA1 (график 1) и всего усилителя переменного тока (график 2), где  – частота среза ОУ;  и  – соответственно, нижняя и верхняя граничные частоты полосы пропускания усилителя переменного тока, на которых модуль коэффициента усиления снижается на 3 дБ по сравнению с максимальным значением;  – полоса пропускания усилителя.Усилитель постоянного тока, например, ОУ, имеет ненулевой коэффициент усиления на нулевой частоте, т. е. может усиливать сигналы как постоянного, так и переменного тока (характеристика 1). Усилитель переменного тока имеет нулевой коэффициент усиления на нулевой частоте и предназначен только для усиления сигналов переменного тока (характеристика 2).  Рисунок 2.2 - Асимптотические ЛАЧХ: 1 – разомкнутого операционного усилителя DA1; 2 – всего усилителя переменного тока Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя переменного тока (см. рис. 2.1) в полосе пропускания определяются схемными функциями инвертирующего РУ:  ;  (2.1) Это обусловлено тем, что сопротивлением разделительного конденсатора в полосе пропускания в первом приближении можно пренебречь. Из соотношений (2.1) при заданных схемных функциях усилителя определяются сопротивления резисторов схемы. Если по результатам расчета схемы на рис.2.1 хотя бы одно из ее сопротивлений превышает значение 10 МОм (такие сопротивления трудно реализовать), то считаем, что такая схема не подходит и дальше исследовать ее не нужно. Результаты выполнения задания: Схема 2.1 Из соотношения (2.1): KUИ = 1000; R1 = Rвх.и = 50 кОм; R2 = R1* (KUИ – 1)= 49.95 МОм Таким образом, сопротивление R2 больше 10 МОм и схема на рисунке 2.1 не подходит. 2.2 Схемная реализация усилителя на базе неинвертирующего РУ Схема усилителя переменного тока на базе неинвертирующего РУ представлена на рис. 2.3; конденсатор С2 используется для минимизации выходного напряжения покоя усилителя. Частотная характеристика усилителя аналогична характеристике 2, представленной на рис. 2.2. Коэффициент усиления и входное сопротивление усилителя переменного тока в полосе пропускания определяются схемными функциями неинвертирующего РУ (сопротивлением конденсаторов С1 и С2 в полосе пропускания в первом приближении можно пренебречь):  ;  . (2.2)Из соотношений (2.2) очевидно, что соответствующим выбором сопротивления можно обеспечить высокое входное сопротивление усилителя, а выбором большого значения отношения – высокий коэффициент усиления РУ. Частотная характеристика усилителя переменного тока (рис. 2.3) в области нижних частот целиком формируется конденсаторами C1 и С2, в области верхних частот она зависит от частотных свойств скорректированного ОУ, при этом граничные частоты и определяются соотношениями  ;  (2.3)Из соотношений (2.3) следует, что при выборе более широкополосного ОУ с высокой частотой  можно получить более высокую верхнюю граничную частоту и тем самым расширить полосу пропускания усилителя переменного тока. Однако, как следует из рис. 2.2 и соотношения (2.3), чем выше коэффициент усиления усилителя переменного тока, тем меньше у него верхняя граничная частота . Рисунок 2.3 - схема усилителя переменного тока на базе неинвертирующего РУ Таким образом, при использовании одного неинвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления (100…2000) и большое (1…10 МОм) входное сопротивление усилителя, но при этом существуют определенные трудности в реализации высокой верхней граничной частоты .Окончательное решение о приемлемости схемы (рис. 2.3) принимается после ее исследования с использованием систем Multisim и NI ELVIS (определение верхней граничной частоты ).Результаты выполнения задания: Пусть С1 = С2 = 1 мкФ, тогда из соотношения 2.3 R1 = 1 кОм Из соотношения 2.2: R3 = Rвх = 50 кОм R2 = (KUин - 1)*R1 = 30.62 кОм 2.3 Построение усилителя на основе двух усилительных подсхем От недостатка усилителя (рис. 2.3) свободна схема усилителя переменного тока, представленная на рис. 2.4  Рисунок 2.4 - Схема усилителя переменного тока Этот усилитель состоит из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на неинвертирующем РУ (DA1; R1; R2; R3; С1), что позволяет обеспечить большое входное сопротивление усилителя переменного тока; выходная подсхема представляет собой инвертирующий РУ (DA2; R4; R5; С2) и используется для получения высокого коэффициента усиления всего усилителя. В полосе пропускания  . (2.4)Частотные характеристики неинвертирующего и инвертирующего РУ усилителя (рис. 2.4) аналогичны характеристике 2, представленной на рис. 2.2. Из графиков, приведенных на рис. 2.2, следует, что для получения наибольшей верхней граничной частоты  всего усилителя переменного тока (рис. 2.4) целесообразно выбирать коэффициенты усиления инвертирующего и неинвертирующего РУ по модулю примерно одинаковыми. Нижняя граничная частота полосы пропускания усилителя переменного тока (рис. 2.4) определяется соотношением (2.5)Тогда при заданных схемных функциях усилителя (см. ТЗ) из соотношения (2.5) определяется сопротивление  . Далее из соотношений (2.4) сначала определяются равные друг другу коэффициенты неинвертирующего и инвертирующего РУ, а потом, задаваясь сопротивлением:  = 1 кОм, определяем сопротивления всех остальных резисторов схемы с учетом соотношения (2.2). Окончательное решение о приемлемости схемы (рис. 2.4) также принимается после ее исследования с использованием систем Multisim и NI ELVIS (определение верхней граничной частоты ).Результаты выполнения задания: Схема 2.4. Пусть С1 = С2 = 1 мкФ, тогда из соотношения (2.5): R4 = 1592 Ом Из соотношения (2.4): R1 = 1 кОм; R2 = 30.62 кОм; R3 = 50 кОм; R5 = 50.325 кОм. 3. Моделирование усилителя переменного тока в системе Multisim На втором этапе проектирования проводится моделирование усилителя переменного тока в системе Multisim; при этом основное внимание уделяется исследованию частотных характеристик усилителя. Сравниваются между собой усилитель переменного тока с одной усилительной подсхемой (рис. 2.3) и усилитель с двумя усилительными подсхемами (рис. 2.4). Параметры компонентов этих усилителей были определены в результате ручного расчета на первом этапе проектирования. Для этих усилителей с использованием системы Multisim определяются их частотные характеристики и по ним с помощью курсора находятся значения параметров  , и всего усилителя переменного тока. Эти значения проверяются на соответствие их требованиям ТЗ. Основная задача второго этапа проектирования – выяснить, какой из усилителей переменного тока, приведенных на рис. 2.3 и рис. 2.4, удовлетворяет требованиям ТЗ по верхней граничной частоте .3.1 Усилитель с одной усилительной подсхемой На рисунке 3.1 в соответствии с одним из вариантов ТЗ представлена схема усилителя переменного тока с одной усилительной подсхемой (рисунок 2.3), подготовленная для исследования в системе Multisim  Рисунок 3.1 – Модель усилителя переменного тока с одной усилительной подсхемой Результат выполнения задания: Максимальный KU = 59.954 дБ  Максимальный KU 994  Нижняя частота fн = 89 Гц  Верхняя частота fв = 1,088 кГц  Очевидно, что данный усилитель имеет сравнительно низкую частоту fв и небольшую полосу пропускания всего усилителя. 3.2 Усилитель с двумя усилительными подсхемами На рисунке 3.2 в соответствии с этим же вариантом ТЗ представлена схема усилителя переменного тока с двумя усилительными подсхемами (рисунок 2.4), подготовленная для исследования в системе Multisim  Рисунок 3.2 – Схема усилителя переменного тока с двумя усилительными подсхемами Результат выполнения задания: Максимальный KU = 59.98 дБ  Максимальный KU 997.7  Нижняя частота fн = 99.89 Гц  Верхняя частота fв = 18,681 кГц  Очевидно, что данный усилитель имеет сравнительно высокую частоту fв и большую полосу пропускания всего усилителя. 4. Экспериментальное исследование усилителя переменного тока в системе NI ELVIS На третьем этапе проектирования проводится экспериментальное исследование усилителя переменного тока в системе NI ELVIS. Результаты этого исследования должны соответствовать результатам моделирования усилителя в системе Multisim, их некоторые расхождения должны быть студентами логически объяснены. 4.1 Усилитель на одном неинвертирующем РУ На рисунке 4.1 представлена частотная характеристика усилителя на основе одного неинвертирующего РУ.  Рисунок 4.1 – Частотная и фазовая характеристики Как следует из частотной характеристики усилителя переменного тока (график 2 на рисунке 2.2) – чем выше коэффициент усиления усилителя переменного тока, тем меньше у него верхняя граничная частота fв. Следовательно, схема усилителя на базе одного неинвертирующего РУ не подходит, так как не удается получить необходимую высокую верхнюю граничную частоту совместно с большим коэффициентом усиления и большим входным сопротивлением усилителя. 4.2 Усилитель на инвертирующем и неинвертирующем РУ На рисунке 4.2 представлены частотные и фазовые характеристики усилителя на инвертирующем и неинвертирующем РУ  Рисунок 4.2 – Частотная и фазовая характеристики В отличие от усилителя с одним инвертирующем РУ, данный усилитель обеспечивает достаточный коэффициент усиления, верхнюю и нижнюю граничную частоты. Таким образом, усилитель на инвертирующем и неинвертирующем РУ подходит для задачи курсового проекта. 5. Проектирование мощного выходного каскада усилителя На четвертом этапе проектирования проводится расчет мощного выходного каскада (ВК) на дискретных компонентах, необходимого для расширения возможностей усилителя переменного тока по выходной мощности и максимальному току нагрузки. Рекомендуемая схема (ВК) представлена на рис. 5.1. На этом же рисунке приведена часть схемы усилителя, приведенного на рис. 3.1 (DA2; R4; R5; С2), к выходу которого подключен вход ВК.  Рисунок 5.1 Рекомендуемая схема мощного каскадного усилителя Выходной каскад (VT1 – VT4; R6 – R9) предназначен для получения большого тока нагрузки:  = 1 – 1,5 А. Интегральный операционный усилитель DA2 серии 741 имеет максимальный ток нагрузки: = 10 – 20 мА, что явно недостаточно для нашего усилителя.ВК усиливает только по току. По напряжению его коэффициент передачи близок к 1 (повторитель напряжения). Действительно, транзисторы VT1 и VT3 по одному пути и транзисторы VT2 и VT4 по другому пути – каскады с общим коллектором. ВК на рисунке 5.1 – двухтактный каскад режима класса АВ. При Uвых > 0 VT3 – в активном усилительном режиме, VT4 – в отсечке, ток нагрузки Iн течет по цепи: +Uип – коллектор-эмиттер VT3-R8 – Rн – общая шина. При Uвых < 0 VT3 – в отсечке, VT4 – в активном усилительном режиме, ток нагрузки Iн течет по цепи: общая шина Rн – R9 - коллектор-эмиттер VT4 – Uип. Наличие двух источников питания позволяет обеспечить двуполярный диапазон изменения выходного напряжения -10В ≤ Uвых ≤ 10В. Режим класса АВ создается введением транзисторов VT1, VT2. Падение напряжения UAB = UЭБ1 + UЭБ2 0.6 + 0.6 = 1.2 В приоткрывает транзисторыVT3 и VT4 при Uвых = 0. Через эти транзисторы течет некоторый начальный сквозной ток  , при этом рабочая точка транзисторов VT3 и VT4 выводится на начало линейного участка, что минимизирует нелинейные искажения Uвых ВК и всего усилителя.Резисторы R8 и R9 необходимы для ограничения сквозного тока .Расчет выходного каскада Дано: Uвых.м = 10 В, Iн = 1.4 А, βмин = Iк/Iб = 100 (для всех транзисторов), β – статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с общим эмиттером Iэ Iк Определяем минимальное сопротивление нагрузки: Rн.мин = Uвых/ Iн = 10/1.4 = 7.1429 Ом Сопротивление R6 выбираем из условия обеспечения напряжения Uвых = 10 В при Iн = Iнм. В этом режиме через транзистор VT1 течёт минимальный ток IЭ1.МИН. Зададимся минимальным током IЭ1.МИН = 2 мА. Меньше нельзя, иначе транзистор теряет усилительные свойства. При этом в цепи базы VT3 течет максимальный ток. IБЗ.М = Iнм/ βмин.з = 1.4/100 = 14 мА (IКЗ IЭЗ = Iнм) IR6 = IЭ1.МИН + IБЗ.М = 2 мА + 14 мА = 16 мА В этом режиме из второго законы Кирхгофа: Uип = UR6 + UЭБ.З + UR8 + Uвых.м UЭБ.З = 0.8 В, UR8 0.2 В UR6 = Uип – UR8 – UЭБ.З – Uвых.м = 15 – 0.2 – 0.8 – 10 = 4 В R6 = UR6/IR6 = 4 * 103/16 = 250 Ом Аналогичным образом определим R7, R8 из условия обеспечения напряжения Uвых.м = -10 В, Iн = -Iнм = -1.4 А, βмин.3 = βмин.4 R7 = R6 = 250 Ом IR8 Iнм = 1.4 А R9 = R8 UR8/Iнм = 0.2/1.4 = 0.14 Ом Максимальные мощности, рассеиваемые на элементах ВК. Мощность рассеяния на коллекторе транзистора PК = IK * UКЭ, где IK – ток коллектора, UКЭ – напряжение коллектор – эмиттер. PK3M PK4M U2ип/(4Rн.мин) = 152/(4 * 7.1429) = 7.875 Вт Транзисторы VT3, VT4 нужно устанавливать на теплоотвод, поскольку допустимая мощность рассеяния на транзисторе без теплоотвода как правило не превышает 2-4 Вт. PK2M PK1M U2ип/R6 = 152/250 = 0.9 Вт Транзисторы VT1 и VT2 можно использовать без теплоотвода. Определим максимальную мощность на резисторе R6 при Uвых = -Uвых.м Uип = UR6M + UЭБ.1 + UЭБ.2 – UЭБ.4 – UR9 – Uвых.м UR6M = Uип + Uвых.м + UЭБ.4 + UR9 - UЭБ.1 - UЭБ.2 = = 15 + 10 + 0.8 + 0.2 – 0.6 – 0.6 = 24.8 25 Вт PR7M PR6M U2R6M/R6 = 252/250 = 2.5 Вт Можно показать PR9M PR8M = I2нм * R8 = 1.42 * 0.14 = 0.2744 Вт Заключение В ходе курсовой работы были получены навыки расчета и проектирования микроэлектронных устройств на базе систем Multisim и NI ELVIS, использования справочной литературы, оформления технической документации. Были рассчитаны значения параметров компонентов для трех электронных схем, на основе которых был проведен анализ в системе Multisim и NI ELVIS. Для расширения возможностей усилителя переменного тока был реализован мощный выходной каскад. Составлен чертеж схемы и список использованных при ее построении компонентов. Список использованной литературы ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ САПР В СХЕМОТЕХНИКЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ: Учебно-методическое пособие/ Андреев В. С., Бутусов Д. Н., Михалков В. А., Соколов Ю. М - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 64 с. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||