Курсовая работа: Усилитель постоянного тока

4 Расчёт усилителя постоянного тока

Усилитель постоянного тока состоит из трех каскадов:

ПУ - предварительный усилитель;

ФНЧ - фильтр низких частот;

УМ - усилитель мощности.

Диапазон изменения входного сигнала: U_вх = 2...12 мВ.

Выходной сигнал: U_вых = 1 В.

Рассчитаем коэффициент передачи усилителя:

.

Коэффициент передачи усилителя состоит из произведения коэффициентов передачи отдельных узлов, входящих в него:

где: - коэффициент передачи предварительного усилителя,

- коэффициент передачи фильтра нижних частот,

- коэффициент передачи усилителя мощности.

Распределяем коэффициенты передачи отдельных узлов:

, ,

4.1 Расчёт усилителя мощности

Основная задача усилителя мощности - усилить выходной сигнал фильтра нижних частот до определенного уровня учитывая коэффициент передачи всего каскада усилителя.

Схема усилителя мощности представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема усилителя мощности

Определим мощность в нагрузке:

Найдем мощность рассеивания:

Как видно, рассеиваемая мощность мала, поэтому для комплементарной пары выбираются транзисторы малой мощности.

Находим коэффициент усиления по току:

Таким образом, будем использовать усилитель мощности класса B. Выбираем комплементарную пару транзисторов (n-p-n,p-n-p) при условии , что и . Характеристики, выбранных транзисторов приведены в таблице 6:

Таблица 6 - комплементарная пара транзисторов

Чтобы обезопасить транзисторы от выхода из строя, к комплементарной паре подключают резистор = 390 Ом. Для усилителя мощности выбираем резистор C2-23-390Ом.

4.2 Расчёт фильтра нижних частот

Фильтр нижних частот - это фильтр, который пропускает сигналы от нулевой частоты до заданной _c, называемой частотой среза.

Выбираем ФНЧ Баттерворта. В данном фильтре используется только отрицательная обратная связь. Схема ФНЧ представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема ФНЧ Баттерворта

Произведем расчет фильтра с расчета емкости С₁:

,

где - верхняя граница заданного частотного диапазона, то есть частота среза.

Задаются полиноминальные коэффициенты для ФНЧ 2 порядка:

b = 1,4142,

c = 1,

А = 4, где А- теоретический коэффициент усиления ФНЧ;

Рассчитываем емкость С₂:

Рассчитываются значения сопротивлений:

Произведем моделирование ФНЧ с помощью программного обеспечения Electronics WorkBench для того, чтобы сравнить полученные результаты в моделировании и ручного расчета.При моделировании были получены основные характеристики фильтра нижних частот - АЧХ и ФЧХ, представленные в приложении Б. По данной АЧХ можно сказать, что ФНЧ смоделирован верно, так как частотный диапазон соответствует частотному диапазону, заданному в техническом задании, а именно от 0 до 1000 Гц и коэффициент передачи фильтра нижних частот равен 4.Спад АЧХравен:

В качестве микросхемы для ФНЧ выбираем микросхему типа К140УД6, основные характеристики микросхемы приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Основные характеристики микросхемы К140УД6

Далее подберём резисторы и конденсаторы для ФНЧ, приведенные в таблицах 8 и 9 соответственно.

Таблица 8 - выбор резисторов для ФНЧ

Таблица 9 - выбор конденсаторов для ФНЧ

4.3 Расчёт предварительного усилителя

Предварительный усилитель предназначен для усиления сигнала до некоторого значения, который затем передается на фильтр нижних частот (ФНЧ).

Схема предварительного усилителя представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Схема предварительного усилителя

Используем неинвертирующий усилитель. Он обладает большим входным сопротивлением и выходным сопротивлением, стремящимся к нулю. Определим значения сопротивлений резисторов :

= 20.

Исходя из этого условия,выберем резисторы:

= 20 кОм и = 380 кОм.

Для предварительного усилителя выберем микросхему К140УД17. Мы выбрали эту микросхему, так как она имеет малый температурный коэффициент, что обеспечивает малую погрешность напряжения смещения.

Основные характеристики данной микросхемы приведены в таблице 10.

Схема включения микросхемы представлена на рисунке 9.

Таблица 10 - Основные характеристики микросхемы К140УД17

Рисунок 9 - Схема включения микросхемы К140УД17

Необходимо выбрать резисторы для схемы предварительного усилителя. Они представлены в таблице 11.

Таблица 11 - Характеристики резисторов

Резистор R₂ мы разбиваем на 2 для того, чтобы обеспечить регулировку чувствительности, поэтому один резистор у нас будет как потенциометр.

5 Расчёт погрешностей

В ходе эксплуатации усилителя постоянного тока, он непосредственно будет получать некоторое количество тепла, которое будет влиять на работоспособность усилителя. Усилитель обладает температурной погрешностью и погрешностью от нестабильного питающего напряжения.

5.1 Расчёт температурной погрешности

Рассчитаем температурный диапазон, заданный в техническом задании:

Погрешность, связанная с изменением напряжения питания, определяется как:

,

где К_п - коэффициент влияния нестабильности источника питания, равный 200 мкВ/В.

TKU_ст = 0,02 %/град - температурный коэффициент изменения напряжения стабилизатора.

где:

,

(В).

Находим - напряжение сдвига, приведённое ко входу усилителя.

Далее рассчитываем погрешность:

Таким образом, рассчитанная температурная погрешность меньше заданной, следовательно, микросхема усилителя выбрана верно.

5.2 Расчёт погрешности от нестабильности питающего напряжения

Изменение входного напряжения стабилизатора:

- это нестабильность питающего напряжения, заданная в ТЗ.

Рассчитаем изменение напряжения на выходе стабилизатора:

Изменение напряжения смещения на выходе усилителя:

,

где K_пит - коэффициент влияния нестабильности источника питания.

Данный коэффициент определяется отношением изменения напряжения смещения к вызывающему его изменению одного из напряжений питания.

K_пит = 20..200 мкВ/В.

Погрешность от нестабильности питающего напряжения не превышает погрешности от нестабильности выходного сигнала усилителя.

6 Описание схемы электрической принципиальной

Схема электрическая принципиальная выполнена на листе формата А3 и представлена в приложении А.

Первый каскад представляет собой предварительный усилитель. Он собран из элементов: DA1, R1, R2, R3 и R4. Выбор такой схемы включения обусловлен тем, что неинвертирующий усилитель обладаетвысокимвходным и низким выходнымсопротивлениями. Резистор R4 предназначен для устойчивой стабильной работы ОУ.

Второй каскад - фильтр нижних частот. ФНЧ собран на элементах: DA2, R5, R6, R7, С1 и С2. Он выделяет рабочую полосу частот усилителя.

Третий каскад представляет собой усилитель мощности. Он собраниз резистораR8 и комплементарной паре транзисторов VT1 и VT2. Усилитель мощности для усиления мощности выходного сигнала ФНЧ.

Блок питания собран из элементов: DA3, VD1 - VD8, C3, С4, С5, C6. Данный блок обеспечивает напряжение ±15 В для питания элементов усилителя.

Заключение

В ходе данного курсового проекта был спроектирован усилитель постоянного тока.

Произведя расчет необходимых элементов, разработанный УПТ имеет следующие характеристики:

-напряжение источника питания - 220 В;

-частота источника питания - 50 Гц;

-диапазон изменения входного сигнала - 2..12 мВ;

-выходной сигнал - 1 В;

-частотный диапазон - 0..1000 Гц;

-сопротивление нагрузки - 50 Ом;

Для проверки правильности работы спроектированного УПТ был произведён расчёт температурной погрешности и погрешности от нестабильности питающего напряжения:

-температурная погрешность -

-погрешность от нестабильности питающего напряжения -

Полученные результаты соответствуют требованиям технического задания.

Список использованных источников

1.Пащенко В.В., Арбузов В.П., Мишина М.А. Усилитель постоянного тока. Измерительный преобразователь. Методические указания к курсовой работе по курсу «Электроника». - Пенза Изд. ПГУ, 2006г. - 20 с.

2.Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отделение, 1988г. - 304 с.

3.Четвертков И.И., Дьяконов М.Н. Справочник. Конденсаторы. - М. Радио и связь, 1993г. - 392 с.

4.Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/ под ред. Н. Н. Горюнова. - М.: Энергия - 1979г. - 744с.

Приложение А

Усилитель постоянного тока

Схема электрическая принципиальная