Усилитель вертикального отклонения осциллографа

Министерство общего и профессионального образования РФ

Уральский государственный технический университет

Кафедра ФМПК

РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Пояснительная записка

19.02 520000 012 ПЗ

Студент: Лебедев В.В.

Руководитель: Стрекаловская З.Г.

Н. Контролёр Замараева И.В.

Группа: ФТ-429

Екатеринбург

1998 г.

Содержание

Стр.

    Введение 3

    Техническое задание 3

    Справочные данные на элементы 4

    Структурная схема усилителя 5

    Расчёт входного делителя 6

    Расчёт предусилителя 7

    Расчёт фазоинвертора 9

    Расчёт оконечного каскада 11

    Расчёт граничных частот 15

    Заключение 16

    Библиографический список 17

    Приложения 18

Введение.

Согласно техническому заданию, требуется спроектировать и рассчитать широкополосный электронный усилитель, работающий на симметричную нагрузку, обеспечивающий на выходе усиленный входной сигнал с допустимыми искажениями

Техническое задание.

Входной сигнал:

Экспоненциальный импульс отрицательной полярности.

U>вх>=(10500)мВ

>и>=5мкс

Выходной сигнал:

U>вых>=250В

Нагрузка:

R>н>=250кОм

Входное сопротивление:

R>н>>100кОм

Элементная база:

Использовать ИМС.

Диапазон температур:

T=(2020)0C

Справочные данные на элементы.

Микросхемы

Микросхема 140УD5А

U>Uпит>=12В

К>уU>=1500125000

R>вх>=100кОм

R>вых><1кОм

f>1>=15мГц

U>вых><4В

Микросхема 140УD10

U>Uпит>=(516)В

К>уU>=50

R>вх>=1мОм

R>вых><1кОм

f>1>=15мГц

Транзистор 2Т888А

U>КЭмах>=900В

=0.976

=40

f>в>=15мГц

U>вых><10В

I>Кб0><10мкА

I>Кмах>=100мА

P>Кмах>=7Вт (с теплоотводом)

С>к>=45пФ

Тип p-n-p

Структурная схема усилителя

Исходя из технического задания, была выбрана структурная схема усилителя рис.1

Структурная схема усилителя

U>вх> Входной Предусилитель

Делитель

Фазоинвертор Оконечный

каскад

Рис.1

Входной делитель даёт возможность делить входной сигнал в соотношениях 1:1, 1:10, 1:50.

Предусилитель обеспечивает большой коэффициент усиления при минимальных искажениях.

Фазоинвертор обеспечивает на выходе одинаковые по модулю и разные по фазе напряжения.

Оконечный каскад обеспечивает усиление мощности сигнала для эффективного управления нагрузкой. Так как он вносит в сигнал максимальные искажения, то его коэффициент усиления этого каскада выбирают небольшим.

Входной делитель

С>1>

R>1>

C>2> R>2> C>3> R>3>

Рис №2

Зададимся

R>1>=100кОм

С>1>=220пФ

K>1>= 0.1 ( коэффициент деления 1:10)

K>2>=0.02 ( коэффициент деления 1:50)

C>1>R>1>= C>2>R>2>= C>3>R>3>

R>2>=R>1>*K>1>/(1-K>1>)

R>3>=R>1>*K>2>/(1-K>2>)

R>2>=11кОм

R>3>=2кОм

Рассчитаем С>I>

Пусть С>1>=220пФ

Тогда С>2>=С>1>*R>1>/R>2>=2нФ

С>3>=С>1>*R>1>/R>3>=10.8 нФ

Номинальные значения:

R>2>=11кОм С>2>=2 нФ

R>3>=2кОм С>3>=11 нФ

Предварительный усилитель

C>1> DA1 C>2> DA2 C>3> DA3

  

  

R>2 > R>4> R>6> R>7>

R>1> R>3> R>4>

Рис. 3

Первый и второй каскад (DA1,DA2) предусилителя идентичны и построены на ОУ 140УД5А

Расчёт ведем для одного каскада.

К
оэффициент усиления ОУ определяется по формуле:

Возьмём коэффициент усиления DA1 и DA2 K>01>*=16

Возьмем R>1>=10 кОм

Тогда: R>2>=R>1>(K>0>-1)= 150кОм

Верхняя граничная частота при K>0>=16, f>В>=5МГц (справ. данные)

Н
ижняя граничная частота при C>1>=1мкФ

В
озьмём С>4>=С>5>=1 мкФ R>7>=100кОм R>6>=33кОм

Третий каскад (DA3) предусилителя построен на ОУ 140УД10

В последним третьем каскаде введена регулировка коэффициента усиления всего усилителя. Зададимся условием чтобы его минимальный коэффициент усиления был равен: К>­0>=3 он зависит от величен сопротивлений R>5> и R>6 >

П
ри R>5>=10кОм и R>6>=20кОм коэффициент усиления составит K>0min>=3

П
усть максимальный коэффициент усиления составит K>0мах>=4

Следовательно R>7>=R>5>(K>0min>-1)-R>6>=10кОм

Верхняя граничная частота при K>0>=4, f>В>=5МГц (справ. данные)

Нижняя граничная частота при C>3>=1мкФ

Параметры всего ПУ

Коэффициент усиления всего ПУ: K>0>=K>01>K>02>K>03>

K>0max>=K>01>K>02>K>03>=1024

K>0min>=K>01>K>02>K>03>=768

В
ерхняя граничная частота:

F>ВПУ>=2.9 МГц

Нижняя граничная частота

f>н>= f>1>+f>2>+f>3>=5Гц

Расчёт фазоинвертора:

С>2> DA1

Вх

R>2>

C>1 > R>1> DA2

Рис. 4

Фазоинвертор построен на 2x- ОУ 140УД10

DA1- включен как повторитель

DA2 - включен как инвертор

Коэффициент усиления повторителя К>01>=1

Коэффициент усиления инвертора К>02>1 когда R>2><<R>1>

Пусть R>1>=10кОм и R>2>=1кОм  K>02>1

Для обеспечения симметричного выхода сделаем R>2> – переменным сопротивлением

Верхняя граничная частота для 140УD10 – равна 15МГц

Нижняя граничная частота равна:

Н
еобходимо чтобы F>Н1>=F>Н2> (нижние граничные частоты обоих плеч были одинаковые )

Вожмём С>1>=1мкФ тогда:

Т.К. R>ВХповт>=R>Вхоу>=1 МОм=100R>1>,

то чтобы F>Н1>= F>Н2 > следует взять С>2>=0,01C>1>=0.01 мкФ

Расчёт оконечного каскада

R>1 >R>к >

C>c2 > C>c4>

C>c1> C>c3>

VT>1 >VT>2>

R>2 >R>э >

C>Э> R>эоб>

Рис. 5

Принципиальная схема оконечного каскада изображена на рис.3

Поскольку у нас симметричная нагрузка то будем вести расчёт на одно плечо.

У
равнение линией нагрузки будет выглядеть следующим образом:

I>Кмах>=40мА

Динамическая линия нагрузки транзистора

I мА

40

Р.Т.

20

0 100 350 700 U>кэ>В

Рис. 4

Возьмем R>Э>=4кОм и R>К>=13.5кОМ

Рабочая точка: I>К0>=20мА U>КЭ0>=350В


Найдем рассеиваемую мощность

P>Rк>=5.4Вт и P>Rэ>=I2>Э0>*R>Э>=1.7Вт

Произведём расчёт базового делителя:

Пусть I>дел>=5мА

U>Э0>= I>Э0>*R>Э>=20мА*4кОм=82В - напряжение на эмиттере

U>Б0>= U>Э0>*U>БЭ>=82.5В - напряжение на базе

R>2>= U>Б0>/I>дел>=1640016 кОм

R
>1>=112272 Ом110 кОм

R
>Б>14кОм

Найдём коэффициент термонестабильности N>S>=1+R>Б>/R>Э>=4,6

Определим крутизну

S=I>К0>/м*>т>=256мА/В

Рассчитаем g>экв>

g>К>=1/R>К>=1/13.5=7.4*10-5 Cм

g>н>=1/R>н>=4*10-6 Cм

g>i>=h>22>=(1+)I>Кбо>/U>Кэо>=1.177*10-6 Cм

g>экв>=g>i>+g>н>+g>к>=7.93*10-5 Cм

Рассчитаем коэффициент усиления

K>O>=S/g>экв>=3228

Введём О.О.С. разделив сопротивление R>Э>

Пусть K>0>*=30 тогда K>0>*= K>0>/1+*K>0>

=R>Э>/R>К>=0.033 R>Э >- сопротивление О.О.С.

R>Э>=* R>К>=445Ом  R>Э1>=R>Э>-R>Э>4кОм-430Ом3,6кОм

F=1+*K>0>=107.5 – глубина обратной связи

Входная проводимость:

G>11>= I>К0>/м*>т*>=6.4*10-3

>т >– тепловой потенциал

r>вх >=1/g>11>=156 Ом

r>э>=>т>/I>Эо>=1.27Ом

сопротивление базы транзистора

r>Б>=r>вх>-r>Э>=105Ом

Расчёт по переменному току:

Н
айдём нижнюю частоту

Расчёт граничных частот

Р

ассчитаем верхнюю частоту всего усилителя по формуле:

Обеспечим при этом длительность фронта равной:

>Ф>=0.35/f>В>=0.34 мкс

что для >И>=5мкс составляет менее 7%

Рассчитаем нижнюю частоту всего усилителя по формуле

f>н>= f>нпр>+f>нфаз>+f>нокон>=5+16+260=281Гц

Для предварительного усилителя

>нпр>=С>4>*R>вх>=0.1с

f>нпр>= 1/(2*>нпр>)=1.6 Гц

Для фазоинвертора

>нфи>=С>7>*R>10>=0.01с

f>нфи>= 1/(2*>нфи>)=16 Гц

Для предоконечного каскада

>нпре>=С>8>*R>вх>=1с

f>нпре>= 1/(2*>нпре>)=0.2 Гц

Для оконечного каскада

f>нокон>=260 Гц

R>Эоб>=0.5R>Э1>=1780Ом

Расчет транзисторов на мощность

Обозначение

Рассеиваемая мощность

Примечания

R1

0.0625 мкВт

R2

0.625 мкВт

R3

2,5 мкВт

R4

17мкВт

R5

5мкВт

R6

0.272мВт

R7

80мкВт

R8

0.435мВт

R9

1.7мВт

R10

10мВт

R11

0,14Вт

R12

0.18Вт

R13,R20

0.91Вт

R14,R21

0.4Вт

R15,R19

5.4Вт

Необходим радиатор

R16,R18

1.7Вт

R17

1Вт

Заключение

В ходе данной работы был спроектирован электронный усилитель, позволяющий усиливать переменное напряжение. Параметры данного усилителя соответствуют техническим требованиям.

Библиографический список.

1. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник. Под.ред. А.В.Голомедова. Москва,; Радио и связь, 1994

2. Интергральные микросхемы. Операционные усилители. Справочник. Москва,; ВО “Наука”,1993.