Курсовая — Высококачественный усилитель переменного тока». Высококачественный усилитель переменного тока

• Название: Высококачественный усилитель переменного тока
• Дата: 12.01.2023
• Размер: 0.91 Mb.
• Имя файла: Курсовая — Высококачественный усилитель переменного тока».docx
• Тип: Техническое задание; #882835

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Курсовой проект
по дисциплине «Схемотехника»
Тема: «Высококачественный усилитель переменного тока»
Вариант 1

Выполнил: Студент гр.

Проверил: ____________________

Санкт-Петербург

2022

Содержание

1. 
   Техническое задание
   
2. 
   Теоретическое исследование
   
3. 
   Исследование на основе инвертирующего РУ
   
4. 
   Исследование на основе неинвертирующего РУ
   
5. 
   Исследование усилителя на основе двух усилительных подсхем
   
6. 
   Моделирование усилителя переменного тока в системе Multisim
   
   1. 
      Усилитель с одной усилительной подсхемой
      
   2. 
      Усилитель с двумя усилительными подсхемами
      
7. 
   Экспериментальное исследование усилителя переменного тока с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS
   
   1. 
      Усилитель на одном не инвертирующем РУ
      
   2. 
      Усилитель на одном не инвертирующем и инвертирующем РУ
      
8. 
   Проектирование мощного выходного каскада усилителя
   
9. 
   Список литературы
   

1. 
   

   Параметры	1
   Коэффициент усиления в полосе пропускания	800
   Нижняя граничная частота полосы пропускания , Гц	30
   Верхняя граничная частота , кГц, не менее	22
   Входное сопротивление, кОм	50
   Постоянное напряжение помехи на выходе, В, не более	0,5
   Максимальный ток нагрузки , А, не менее	1
   Максимальное выходное напряжение , В, не менее	10

   Техническое Задание
   
   
   

2. 
   Теоретическое исследование
   

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

3. 
   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
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= =50 кОм;

R2 = |Ku|*R1 = 800*50 кОм = 40 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.

4. 
   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
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 fв 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 fв.

Расчет.

Выберем емкость: С1 = С2 = 1 мкФ

Из соотношения (2.2): R1 =  = 1/(2*3.14*30*10-6)  5.308 кОм

Из соотношения (2.1) получаем: R3 = RВХ  =50 кОм

R2 = (KU-1)R1 = (800-1)5.308  4.241 Мом

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*0.5) = 3.184 Гц 3.2 Гц, 

5. 
   Исследование 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 неинвертирующем 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 KU всего усилителя переменного тока. В полосе пропускания:
 (3.1)

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)

Расчет.

Для инвертирующего РУ.
С1 = С2 = 1 мкФ.

R4 =  = 1/(2*3.14*30*10^-6)  5.308 кОм
Для получения наибольшей частоты  коэффициенты  и  должны быть примерно одинаковыми, тогда |Kuи| =  = 28.3;
R5 = |Kuи|  R4 = 28.35.308 = 150,216 кОм
Для не инвертирующего РУ.
R3 =  = 50кОм

R1 = 1 кОм, тогда R2 = (Kuни-1)*R1 = 27,3 кОм
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*0.5) = 3.2 Гц, 

6. 
   Моделирование усилителей переменного тока в сети Multisim
   

6.1 Усилитель с одной усилительной подсхемой.

Значения R1, R2, R3, С1 и С2 рассчитаны ранее, в разделе 1.2

Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускания Ки, нижнюю граничную частоту полосы пропускания fн, верхнюю граничную частота fв для схемы, изображенной на рис. 4.1, и сравним полученные результаты с данными из задания на курсовое проектирование.





Рис. 4.1



Рис 4.2



Рис. 4.3

Кu=58,014 дБ;

fн = 69.103 Гц;

fв = 1.067 кГц;

Как видно из полученных результатов, fв намного меньше заданной. Следовательно, схема усилителя на базе одного неинвертирующего РУ, представленная на рис. 4.1 не подходит, т.к. не удается получить необходимую верхнюю граничную частоту.
6.2 Усилитель с двумя усилительными подсхемами.

Значения R1, R2, R3, С1 и С2 рассчитаны ранее, в разделе 1.3

Экспериментально определим коэффициент усиления в полосе пропускания Кu, нижнюю граничную частоту полосы пропускания fн, верхнюю граничную частоту fв для схемы, изображенной на рис. 5.1, и сравним полученные результаты с данными из задания на курсовое проектирование.



Рис. 5.1


Рис. 5.2

Кu=57,851 дБ;

fн = 1,397 Гц;

fв = 23,207 кГц;

Как видно из полученных результатов, усилитель, состоящий из двух усилительных подсхем, имеет верхнюю граничную частоту fв намного больше по сравнению с усилителем с одним не инвертирующим РУ, а именно

fв = 23,207 кГц. Полученная частота соответствует заданной по техническому заданию (fв должна быть не менее 22 кГц). Следовательно, схема усилителя переменного тока, представленная на рис. 5.1, подходит.

7. 
   Экспериментальное исследование усилителя переменного тока с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS
   

1. 
   Усилитель на одном не инвертирующем РУ
   

Рис. 6.1

Верхняя граничная частота усилителя небольшая (см. рис. 6.1) и равна 997,63 Гц. При использовании одного неинвертирующего РУ в качестве усилителя переменного тока удается получить одновременно большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление усилителя, но при этом возникают трудности в реализации высокой верхней граничной частоты. Как следует из частотной характеристики усилителя, чем выше коэффициент усиления усилителя переменного тока, тем меньше у него верхняя граничная частота.

2. 
   Усилитель на одном неинвертирующем и одном
   

инвертирующем РУ

Верхняя граничная частота усилителя на двух усилительных подсхемах намного больше верхней граничной частоты усилителя на одном неинвертирующем РУ (см. рис.6.2) и равна  =31547,87 Гц. Это доказывает, что усилитель, построенный на не инвертирующем и инвертирующем РУ является наиболее высококачественным и эффективным за счет того, что одновременно обеспечивает большой коэффициент усиления, большое входное сопротивление и наиболее широкую полосу пропускания.


Рис. 6.2

8. 
   Проектирование мощного выходного каскада усилителя
   

На рисунке 7.1 представлена схема усилителя на двух ОУ с мощным выходным каскадом (ВК). Для экономии места на рисунке не приведена усилительная подсхема (DA1; R1; R2; R3; С1)



Рис. 7.1
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, VT1 и VT3 по одному и VT2 и VT4 по другому пути – каскады с общим коллектором, не инвертируют, KU≈1. ВК на рисунке 7.2 – двухтактный каскад режима класса АВ.

При UВЫХ > 0 (полярность без скобок) VT3 – в активном усилительном режиме, VT4 – в отсечке, ток нагрузки IН течет по цепи: +UИП – коллектор-эммитер 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 – эммитер-коллектор VT4 – –UИП. Наличие двух источников питания позволяет обеспечивать двухполярный диапазон изменения выходного напряжения –10B≤ UВЫХ ≤ 10В.

Режим класса АВ создается введением транзисторов VT1, VT2. Падение напряжения UAB = UЭБ1 + UЭБ2 ≈ 0,6 + 0,6 = 1,2 В приоткрывает транзисторы VT3 и VT4 при UВЫХ = 0. Через них течет некоторый начальный сквозной ток I0, 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 I0.


Рис. 7.2
Расчет выходного каскада
Дано:

U_{вых.макс} = 10 (В)

I_{н. макс} = 1 (А), I_э ≈ I_к,

β_мин = I_к/I_б = 100 (для всех транзисторов). β – статический коэффициент передачи по току транзистора в схеме с общим эмиттером.

Определим минимальное сопротивление нагрузки:

R_н.макс =  =  = 10 (Ом)

Сопротивление R₆ выбираем из условия обеспечения напряжения U_{вых.макс} = 10 (В) при I_н = I_н.макс. В этом режиме через транзистор VT1 течёт минимальный ток I_э1.мин. Зададимся минимальным током I_э1.мин = 2 (мА). Более маленькое значение брать нельзя, потому что транзистор теряет усилительные свойства. При этом в цепи VT3 течёт максимальный ток:

I_{БЗ.макс} =   =  = 10 (мА) (I_кз ≈ I_эз = I_н.макс)

I_R6 = I_э1.мин + I_{БЗ.макс} = 2 (мА) + 10 (мА) = 12 (мА)
В этом режиме из II закона Кирхгофа:

U_ип = U_R6 +U_ЭБ.З + U_R8 +U_{вых.макс}

U_ЭБ.З = 0,8 (В), U_R ≈ 0,2 (В)

U_R6 = U_ип - U_R8 - U_ЭБ.З - U_{вых.макс} = 15 - 0,2 - 0,8 - 10 = 4 (В)

R₆ = U_R6/I_R6 =  = 333 (Ом)

Сопротивление в резисторах не более трёх значащих цифр, так как точность их изготовления – 5-10%. Округляем значение сопротивления от

333 (Ом) до 330 (Ом), номинала из ряда E24.

Аналогичным образом определим R₇, R₈ из условия обеспечения напряжения –U_ВЫХ.М = (– 10) В. I_Н = –I_НМ = –1 (А). β_мин.3 = β_мин.4.

R₇ ≈ R₆= 330 (Ом)

I_R8 ≈ I_н.макс=1 (А)

R₉ = R₈ ≈ U_R8 / I_н.макс= 0,2 / 1 = 0,200 (Ом)

Максимальные мощности, рассеиваемые на элементах ВК

Мощность рассеяния на коллекторе транзистора P_K = I_{K } U_КЭ, где I_K – ток коллектора, U_КЭ – напряжение коллектор-эммитер.

Р_{КЗ.макс} ≈ Р_К4.макс ≈   =  = 281,25 (Вт)

Транзисторы VT3, VT4 нужно устанавливать на теплоотвод, поскольку допустимая мощность рассеяния на транзисторе без теплоотвода как правило не превышает 2 - 4 (Вт).

Р_К2.макс ≈ Р_К1.макс ≈  =  = 0,682 (Вт).

Транзисторы VT1 и VT2 можно использовать без теплоотвода.

Определим максимальную мощность на резисторе R₆ при U_ВЫХ = –U_{ВЫХ.макс}

U_ип = U_R6макс + U_ЭБ.1 + U_ЭБ2 - U_ЭБ.4 - U_R9 -U_{ВЫХ.макс.}

U_R6макс = U_ип + U_{вых.макс} + U_ЭБ.4 + U_R9 - U_ЭБ.1 - U_ЭБ2 = 15 + 10 + 0,8 + 0,2 – 0,6 - 0,6 = 24,8 (Вт) ≈ 25 (Вт)

Р_7макс ≈ P_R6макс=  =  = 1,894 (Вт)

Р_R9макс ≈ P_R8макс=   R₈ = 1²  0,200 = 0,200 (Вт)

Заключение
В ходе выполнения курсового проекта были получены навыки расчёта и проектирования микроэлектронных устройств на базе системы «Multisim» и «NI ELVIS» также была спроектирована схема высококачественного усилителя переменного тока, состоящего из двух усилительных подсхем: входная подсхема реализуется на неинвертирующем РУ, что позволяет получить большое входное сопротивление; выходная подсхема реализуется на основе инвертирующего РУ, используется для получения высокого коэффициента усиления всего усилителя. Так же усилитель, основанный на двух усилительных подсхемах, позволяет получить высокую верхнюю граничную частоту.

9. 
   Список литературы
   

1) Учебно-методический материал “Применение современных САПР в схемотехнике электронных устройств”, сост: Андреев В. С., Бутусов Д. Н., Михалков В. А., Соколов Ю. М. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017

2) сайт https://cxem.net, проектирование электронных устройств в Multisim