Расчёт интегрирующего (дифференцирующего) устройства

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ УКРАИНЫ

Одесская государственная  академия холода

Институт энергетики и экологии

Кафедра электротехники и электронных устройств

 

 

 

УТВЕРЖДАЮ

зав. каф., доц. __________ Ю.В.Байдак

«____» _________ 2010 г.

 

 

 

 

РАСЧЁТ ДИФФЕРЕНЦИИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

__________________________________________________________________

(название курсового  проекта)

 

 

РАСЧЕТНО – ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Вариант № 11

(№ варианта, шифр, обозначения  документа)

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине “Электроника и микросхемотехника”

 

 

 

 

 

 

 

Оценка:              Руководитель проекта

ас. ______________ Букарос А. Ю.

«____» ____________ 2010 г.

Проектировал студент  ОГАХ, гр.

________________

«____» ____________ 2010 г.

 

Одесса – 2010

 

ОДЕССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ  АКАДЕМИЯ ХОЛОДА

Институт энергетики и экологии

Кафедра электротехники и электронных  устройств

Дисциплина “Электроника и микросхемотехника”.

Специальность _________________________________

Курс______ группа ______ семестр ______ год ________

 

_______________________________________________________________________

Ф.И.О студента

 

Задание

на курсовой проект

 

1. Тема работы: «Расчёт интегрирующего (дифференцирующего) устройства»

2. Срок сдачи проекта – 15, 16 уч недели

3. Исходные данные  к работе:

• входное синусоидальное напряжение устройства, ~U_вх =  мВ;
• выходное синусоидальное напряжение устройства на максимальной рабочей частоте, ~U_вых=  В;
• сопротивление нагрузки, R_н =   Ω;
• рабочий диапазон частот, f_р=    кГц;
• постоянная времени заряда интегрирующего (дифференцирующего) усилителя, τ_з=   мкс.

 

 

Содержание и перечень расчётно – пояснительной записки.

Титульный лист, техническое  задание, оглавление (с основной надписью для текстовых документов расположенной в нижней части внутренней рамки листа формата А4; см. приложение Ж, рис.Ж,б), теоретическая часть, расчётная часть, заключение , список основной использованной литературы, приложения.

Перечень графического материала

(на листах формата А4, А3 со  стандартной внутренней рамкой  и основной надписью для чертежей согласно ГОСТ, см. приложение Ж, рис.Ж,в)

 

1. Схема электрическая  принципиальная интегрирующего (дифференцирующего)  устройства (см. приложение Д) с перечнем элементов сведенных в таблицу. (см. приложение Е).

2. Провести графо-аналитический расчет усилителя мощности на биполярных транзисторах.

Задание выдал доц. каф. ЭиЭУ ОГАХ______________________

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ 

Стр.

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ                2

ВВЕДЕНИЕ                  4

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ               5

1.1 Основные схемы включения  операционных усилителей          5

1.1.1 Инвертирующий операционный  усилитель            5

1.1.2 Инвертирующий сумматор               6

1.1.3 Дифференцирующий усилитель              9

1.2 Выходные каскады                 10

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ               11

2.1 Расчет дифференцирующего усилителя            11

2.2 Расчет усилителя мощности              13

2.2.1 Расчет компонентов усилителя мощности            13

2.2.2 Расчет усилителя мощности по постоянному току          15

2.2.3 Расчет компонентов инвертирующего усилителя          17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                  18

СПИСОК ОСНОВНОЙ ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ         19

ПРИЛОЖЕНИЯ                 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Аналоговая и цифровая электроника представляет собой  бурно развивающуюся область  науки и техники. Она возникла на базе промышленной электроники. Электроника изучает принципы работы электронных устройств и позволяет синтезировать электронные схемы не только различных аналоговых и цифровых электронных устройств, приборов, компьютеров, но и вычислительных устройств и систем. Значительное место в устройствах электронной техники занимают электронные усилители. Качественные показатели усилительных устройств непрерывно улучшаются в результате использования современных технологий и новой элементной базы. Например, построение на базе интегральных микросхем (ИМС) различных усилительных, интегрирующих, дифференцирующих, логарифмических устройств, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей позволяет повысить их точностные характеристики не только в различных областях электронной, но и вычислительной техники. Для усиления мощных электрических сигналов разрабатываются также электронные усилители мощности, которые выполняются не только с использованием ИМС, но и на дискретных усилительных элементах – транзисторах.

В методических рекомендациях  к курсовому проекту приводится методика расчёта интегрирующих  и дифференцирующих устройств, которые  работают на низкоомную нагрузку.

В курсовом проекте необходимо:

- выполнить расчёт  интегрирующего (дифференцирующего) устройства, реализованного на базе ИМС с усилителем мощности, последний выполнен на биполярных транзисторах;

- провести графо-аналитический  расчёт выходного каскада усилителя  мощности.

 

                                       

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

1.1 Основные схемы включения  операционных усилителей

 

Рассмотрим некоторые  виды операционных усилителей (ОУ), которые  часто используются в линейных электрических  схемах. Линейными считаются схемы, в которых входной и выходной сигналы связаны линейным оператором. Примерами таких схемотехнических решений могут выступать: аналоговые интеграторы, дифференциаторы, преобразователи ток-напряжение, стабилизаторы напряжения, инвертирующий и неинвертирующий усилители [1,2,3,4].

 

1.1.1 Инвертирующий операционный усилитель

 

На рис. 1.1 приведена  схема инвертирующего усилителя, в  котором ОУ DA1 охвачен параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению. Выход цепи ООС включён на инвертирующий вход ОУ. Коэффициент передачи связи такой цепи

где R_вх.д – дифференциальное входное сопротивление ОУ; К – статический коэффициент усиления ОУ; Z_oc, Z₁ – импедансы (полные сопротивления) соответственно цепи обратной связи и входной цепи.

На практике используют упрощенную формулу для расчета  коэффициента передачи (усиления) ОУ охваченного цепью ООС при Z_ос = R_ос

Импеданс балансного резистора Z₁ можно рассчитать как параллельное соединение резисторов R₁ и R_ос:

Полное входное сопротивление  схемы (в точках приложения напряжения U1)

Z_вх.св = Z₁ + Z_осR_вх.д (Z_ос + KR_вх.д)

          Выходное сопротивление схемы

 

Z_вых.св = R_вых.д / (1 + KZ₁Z_ос

)

Простейшей схемой, использования  ОУ в инвертирующем включении  является повторитель входного сигнала (напряжения) со сдвигом фазы, равным p радиан, при R₁ = R_ос = R.

При этом K_св = -1; Z_вх = R (1+K^-1) » R; Z_вых = R_вых (1+K)^-1.

1.1.2 Инвертирующий сумматор

Разновидностью инвертирующего ОУ является сумматор (рис. 1.2). Сумматор позволяет получать на выходе суммарное  напряжение пропорциональное приложенным  входным напряжениям. Через элемент цепи обратной связи Z_ос протекает суммарный ток, поэтому выходное напряжение при Z_i= R_i

 

Рисунок 1.1 - Схема электрическая  принципиальная инвертирующего усилителя  реализованного на ОУ

 

Рисунок 1.2 - Схема электрическая  принципиальная сумматора реализованнного на ОУ

 

 

 

Рисунок 1.3 - Схема электрическая  принципиальная неинвертирующего усилителя  реализованного на ОУ

 

 

 

 

При выборе величин сопротивлений  резисторов, задающих коэффициент усиления (передачи), следует руководствоваться  неравенством

где C_пар = 0,1...0,5 пФ – паразитная ёмкость резисторов; f_max – наибольшая частота, на которой усилитель сохраняет свои свойства.

Величины сопротивлений  резисторов R₁, R₂, …,R_n определяют как

R_i = R_ос / K_i, где i =  1,2,…, n.         (1.3)

При проектировании сумматора необходимо учитывать, чтобы суммарное напряжение на его входе не превышало максимально допустимого выходного напряжения U_{вых max} для выбранного ОУ, т.е.

Величина сопротивления  нагрузки R_Н для инвертирующего усилителя должна удовлетворять условию

 

  R_Н ³ E_п / I_{вых max},                (1.4)

где I_{вых max} – максимально допустимый ток на выходе ОУ; Е_п- напряжение источника питания.

Таким образом, справедливы следующие  положения для всех схем инвертирующего включения:

• суммирующая точка является «виртуальной землёй»;
• токи во входных цепях ОУ отсутствуют;
• токи, втекающие в суммирующую точку из входных цепей, равны току, протекающему в цепи ООС.

 

 

 

 

 

1.1.3 Дифференцирующий усилитель

Рисунок 1.4 - Схема электрическая  принципиальная дифференцирующего усилителя реализованного на ОУ

 

При величине статического коэффициента ОУ K ® ¥, выходное напряжение дифференцирующего усилителя составит U_вых = - R_ос C (dU₁/dt), где R_осC = t_з – постоянная времени заряда конденсатора С и выбирается так, чтобы выходное напряжение усилителя не достигло на рабочем участке предельного значения.

Модуль коэффициента усиления дифференциатора при R_ос = Z_ос и Z_c = 1/jwC может быть вычислен по формуле (1.12)

 

                                                                                 (1.12)

Из выражения (1.12) видно, что коэффициент усиления дифференциатора  зависит от частоты. С ростом частоты  входного сигнала коэффициент усиления и выходное напряжение дифференциатора, увеличиваются.

Обычно выбирают C = 0,01… 1 мкФ [1]

Постоянную времени заряда дифференциатора  вычисляют так: t_з = R_ocC.

Зная постоянную времени дифференцирования  и задаваясь значением емкости, определяют величину сопротивления  резистора R_oc.

Найденное значение R_oc должно удовлетворять следующему условию:

R_min = U_{вых max.oy} / I_{вых max.oy} ; R_max = 100 кОм… 1 МОм.

По формуле (1.12) на заданной частоте определяют коэффициент  усиления дифференцирующего усилителя.

 

1.2 Выходные каскады

Если дифференциатор должен работать на низкоомную нагрузку R_н, то между выходом интегратора или дифференциатора и нагрузкой включают дополнительно выходной каскад – усилитель мощности. Усилитель мощности, как правило, выполняют на биполярных транзисторах. В усилителе мощности усиление по току осуществляется двухтактным выходным каскадом, который реализован на биполярных транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4. В качестве выходных транзисторов VT3, VT4 применены транзисторы с проводимостью n-p-n типа. В качестве транзисторов VT1, VT2 используются транзисторы с проводимостью разного типа, образующие комплементарную пару (транзисторы с проводимостями типа n-p-n, p-n-p и одинаковыми параметрами).

Выходной каскад работает в двухтактном режиме: при подаче с выхода интегратора (дифференциатора) на вход оконечного двухплечевого каскада гармонического сигнала плечи каскадов отпираются поочередно, т.е. сигнал, открывающий транзисторы VT1, VT3, запирает транзисторы VT2, VT4.

Диоды VD1… VD3 осуществляют параметрическую температурную стабилизацию режима работы транзисторов и совместно с резисторами R₄, R₅ обеспечивают выбранный режим работы транзисторного каскада.

Для получения большей  мощности в усилителе мощности (более 5 Вт) и высокого коэффициента полезного  действия (КПД) применяют двухтактные  каскады, работающие в режиме (классе) В. Но при этом имеют место большие нелинейные искажения усиливаемого сигнала за счет влияния нелинейности участка статической входной характеристики транзистора, на который попадает рабочая точка (точка покоя) транзистора.

Указанный недостаток можно  устранить, если перевести работу усилителя  мощности в режим (класс) АВ, но при  этом снизится на 5…10% его КПД. Режим  АВ усилителя мощности обеспечивается путём подачи в базы транзисторов обоих плеч каскада небольшого напряжения  смещения U_см, при котором в цепи коллектора каждого транзистора протекает некоторый ток покоя I_кп = (0,05…0,15)I_{к max}.