Постояннотоков усилвател



Дата30.11.2018
Размер380 Kb.

Технически университет - Габрово




Тема: Постояннотоков усилвател

Изработил:

Дата 13.02.2011 проверил:

гр. Габрово ()



ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – ГАБРОВО


Катедра: „Комуникационна техника и технологии”


ЗАДАНИЕ

ЗА

КУРСОВ ПРОЕКТ

По дисциплината ‘Аналогова схемотехника’


Тема: Постояннотоков усилвател
Техническо задание:
АF = 95dB Fh = 1kHz R0 = 75Ω
U0 = 7V Mh = -3dB ∆T = 50°C
RL = 6kΩ εAF = 6,5% ±Ucc = 15V
Rs = 1kΩ

1. ОБЩИ СВЕДЕНИЯ ЗА УСИЛВАТЕЛИТЕ
Усилването на електрически сигнали е основен процес в радио-електрониката, тъй като сигналите от източниците са слаби и не могат да се използуват непосредствено. Така например сигналът от антената на радиоприемника е съвсем недостатъчен за задействане на високоговорителя, токът на входа на електронния волтметър се усилва, за да отклони стрелката на уреда, и т.н.

За усилването на електрически сигнали е характерно следното:



  • изходната мощност е по-голяма от входната за сметка на захранващия източник

  • изходният и входният сигнал трябва  да са еднакви по форма, за да се запази информацията, която се съдържа в тях

  • отношението на изходния и входния сигнал трябва да е независимо от честотата и амплитудата

Усилвателят е устройство, с което се осъществява усилване на електрически сигнали. Усилвателният елемент /транзисторът/ и електрическите вериги които служат за връзка с източника на сигнала и с товара, образуват усилвателно стъпало. Съвременните усилвателни устройства са многостъпални. Така всяко от стъпалата има по-малък коефициент на усилване а оттам се снижава и коефициента на нелинейни изкривявания защото се използуват местни отрицателни обратни връзки.

    1. Класификация на усилвателите:

По широчината на честотната лента и честотите на сигналите се различават три основни класа.

  • Постояннотокови усилватели. Долната гранична честота на тези усилватели е равна на нула. Към тях могат да се отнесат операционните усилватели.

  • Нискочестотни усилватели. Те усилват сигнали, за които важи условието f2/f1 >>1 ,където f1 и f2 са съответно най-ниската и най-високата честота. Много специалисти от практиката смятат за нискочестотни усилватели тези, които усилват сигнали със звукови честоти /от 20 Нz до 20 кНz/.

  • Високочестотни усилватели. Високочестотните усилватели са предназначени за сигнали, чийто спектър е групиран около една централна честота. Тази особеност позволява използуването на трептящи кръгове за товар - оттук и честото название резонансни усилватели.

Съобразно ролята в един многостъпален усилвател се различават предварителни /предусилватели/ и крайни /изходни/ усилватели. Първият вид се използува за усилване на сравнително слаби сигнали, а вторият осигурява необходимата големина на сигнала за товара. Така например в една уредба за озвучаване предусилвателят се състои от няколко стъпала, които усилват сигнала от източника /микрофон, грамофон и др./, а крайният усилвател е мощен, за да захранва високоговорителите.


Проектирането на усилвателни устройства е творчески процес, който изисква добро познаване на достиженията в тази област, а също така на физическите процеси в усилвателите и тяхното количествено изразяване.
Необходимостта от нов усилвател възниква във връзка с повишените изисквания към качествените показатели. Създаването на нов усилвател се основава на нови схеми, нови градивни елементи и нови технологии.

Преди сигналът от източника да постъпи на крайното стъпало той трябва да се усили. Ето защо първо преминава през предварителни стъпала. Там той се усилва до определеното ниво за крайното и предкрайното стъпало.

За подобряване на показателите на усилвателя е необходима верига за обратна връзка, която да обхваща крайното и предкрайното стъпало.
1.2 ОСНОВНИ ПОКАЗАТЕЛИ НА УСИЛВАТЕЛИТЕ

Свойствата на усилвателите се оценяват количествено чрез основните им показатели. Те са необходими при разработването и комплектуването на апаратурите, за определяне на качеството, за избягване на недоразумения в търговията и т.н. Някои показатели се определят и от действуващите стандарти.


1.2.1 Параметри на усилвателя:
Входно съпротивление - Дава се с израза:

Rвх = Uвх / Iвх

Когато входният сигнал е променлив входното съпротивление е по променлив ток и се нарича още динамично или диференциално. На практика за нискоомен вход се смята този с Rвх<(5 kом-10 kом),а за високоомен - този с Rвх>(20-50 kом ).

Изходно съпротивление - То се определя от израза:

Rизх = Uизх / Iизх

като ако изходният сигнал е променлив се нарича още диференциално или динамично. Ако Rизх <(2 k-5 k), е прието изходът да се нарича нискоомен.Ако Rизх >(20 k-50 k), тогава е налице високоомен изход.

Изходна мощност. Това е променливотоковата изходна мощност на усилвателя. На практика се използва понятието номинална изходна мощност. Това е мощността отделена в товара при определен коефицент на нелинейни изкривявания. Номиналната изходна мощност се определя от стойностите на номиналния изходен ток и номиналното изходно напрежение от формулите:

Pизх= Uизх. Iизх = Rт. Iизх2=Uизх2/Rт

Чувствителност - Амплитудата на входното променливо напрежение при която на изхода се получава номиналната изходна мощност се нарича чувствителност на усилвателя. Усилвателя трябва да се проектира с чувствителност равна или по-висока от напрежението на сигнала от източника.

Собствен шум - На практика изходното напрежение на усилвателя не е равно на нула когато входното е равно на нула. Причината за това е собствения шум на транзисторите и резисторите, недобро филтриране на мрежовото напрежение, лошо екранирани или неекранирани входни вериги и други. Трябва да се има предвид, че основен източник на шум са първите стъпала на усилвателя тъй като техният шум се усилва по-нататък.

Динамичен обхват - Той характеризира способността на  усилвателя  да усилва както малки така и големи сигнали. Динамичният обхват се определя от израза:

D=Uвх max / Uвх min
където Uвх max и Uвх min са стойности на входното напрежение между които амплитудната характеристика (наричана още предавателна характеристика)  на усилвателя е линейна. Самата амплитудна характеристика графично изразява зависимостта между изходното и входното напрежение на усилвателя при определена честота.
Качествения  НЧУ трябва да има възможно най-голям динамичен обхват за да може да възпроизведе и най-тихите и най-силните тонове. Това се постига от една страна с повишаване на изходната мощност  а от друга - с намаляване на нивото на собствения шум.

Коефициент на полезно действие /к.п.д./ - Той показва каква част от цялата консумирана от токоизточника мощност се превръща в полезна изходна мощност



n=Pизх. ном.  / Pзахр.

К.п.д. на крайните стъпала зависи от режима на работа /класа на усилване/ К.п.д. по принцип е голям, когато постоянните токове в колекторните вериги са възможно по-малки в сравнение с токовете на полезния сигнал.



Амплитудно-честотна характеристика /АХЧ/ - Това е графично изразената зависимост на коефициента на усилване по напрежение от честотата. При идеалните усилватели това е една права линия.

При реалните усилватели коефициентът на усилване по напрежение намалява с повишаване на честотата, поради което АЧХ вече не е права линия.

Честотен обхват - Това е обхватът от честоти, в границите на който коефициентът на усилване намалява с определена стойност. За качествените нискочестотни усилватели честотният обхват непременно трябва да покрива обхват от честоти, които човек чува, т.е.  20-20000Нz.

Честотни изкривявания - Това са изкривявания, които се дължат на нееднаквото усилване на сигналите с различни честоти. На практика усилвателите не усилват еднакво различните хармоници на входния сигнал, с което се изменя тяхното съотношение, а това поражда изменение на тембъра на звука и именно това е резултатът от честотните изкривявания.




Фазови изкривявания - Този вид изкривявания се пораждат от честотнозависими елементи в усилвателите /кондензатори, бобини, транзистори и др./.
Нелинейни изкривявания - Когато формата на изходния сигнал се различава от формата на входния сигнал, налице са нелинейни изкривявания. С други думи, при наличие на нелинейни изкривявания на изхода на усилвателя се получават нови  трептения, каквито липсват на входа. И колкото амплитудите на тези трептения са по-големи спрямо основния сигнал, толкова нелинейните изкривявания са по-големи. Количествената оценка на нелинейните изкривявания става чрез коефициента на нелинейни изкривявания /известен още като клирфактор, коефициент на хармониците/.
Интермодулационни изкривявания - Входните сигнали на един нискочестотен усилвател не са синусоидни, а с много по-сложна форма.  В резултат на нелинейните изкривявания освен хармоници се появяват и комбинационни трептения, които представляват суми и разлики от трептения с различни честоти. Така получените изкривявания са особено неприятни за ухото.

Динамични изкривявания - Това са изкривявания на сигнала, проявяващи се в моментните и резки амплитудни изменения (атаки) на сигнала. Причината за тяхната поява са много дълбоките отрицателни обратни връзки и ниската гранична честота на усилвателите. Динамичните изкривявания са едни от най-неприятните и ако са над допустимите, могат да променят до неузнаваемост звуковата картина.



Операционен усилвател

Операционният усилвател е сложно устройство, което се изпълнява в съвременните условия като интегрална схема. Той обикновено съдържа няколко диференциални усилвателя, схема за преместване на нивото и краен усилвател и в схемите се използуват съставни или полеви транзистори. Така например сложна схема се помества в подходящ корпус със съответни изводи.Електрическите връзки между стъпалата на операционния усилвател са галванични. По тази причина възниква необходимосттта и от схемата за преместване на нивото. В това отношение са удобни също така диференциалните усилватели.



Приложение на операционния усилвател

Операционният усилвател има разнообразни приложения. За усилването на електрически сигнали се използуват няколко основни вида свързвания на усилвателя. Най-разпространена е схемата на инвертиращия усилвател Характерно за нея, е че сигналът се подава към входа, означен с минус, и след усилването променя полярността си. Върху схемата е означена моментната полярност на входния и изходния сигнал.


Коефициентът на усилване на операционния усилвател без обратна връзка е много голям. Неговата желана стойност се получава с помощта на резисторите R1 и R2, чрез които се създава отрицателна обратна връзка по напрежение.

Необходимите стойности на входния ток и входното напрежение преди въвеждане на ОВ са много малки. Ето защо може да се смята, че входният ток Iвх, означен на схемата, преминава преди всичко през двата резистора R1 и R2. Тъй като стойностите на Uвх са много малки и близки до потенциала на общия проводник, върху R1 действува цялото входно напрежение на сигнала Uвх, а върху R2 - цялото изходно напрежение Uизх. Това допускане позволява да се установи приблизително и коефициентът на усилване на инвертиращия усилвател



Знакът минус съответствува на противоположния характер на полярността на U’вх и Uизх. При изчисляването на усилвателя се изхожда от необходимия коефициент на усилване, задава се R2 от 50 до 100к и се определя R1.Входното съпротивление на инвертиращия усилвател е равно на R1. Това налага да се приемат и по-големи стойности на R2. Имат симетричен вход и несиметричен изход. В зависимост от зададения коефициент на усилване с обратна връзка ОУ имат честотна лента до няколко kHz, до десетки или до стотици kHz.



Някои по-важни параметри на ОУ са:
Входно напрежение на несиметрия Ui0. То се определя от диференциалното входно напрежение, което трябва да се приложи, за да се получи изходно напрежение нула. Получава се от несиметрията в двете рамена на входния диференциален усилвател и е от порядъка на mV. Известно е още като достатъчно входно напрежение.

Входен ток на несиметрия Ii0. Нарича се още остатъчен входен ток и е равен на разликата между входните поляризиращи токове IB1 и IB2 на базата на транзисторите.
Ii0 = IB1 – IB
Toкът на несиметрия на ОУ 741 е под 200 nA.

Входен поляризиращ ток IiB. Равен е на полусумата от токовете IB1 и IB2 на двата входа на ОУ при изходно напрежение равно на нула.

При ОУ с входно стъпало с биполярен транзистор той е от 1 nA до 50 nA, а при входно стъпало с полеви – от порядъка на pA.

Остатъчно изходно напрежение U0о. Това е напрежението изменението на изходното напрежение от диференциалното на изхода на ОУ при диференциално входно напрежение Uid.

Коефициент на усилване на напрежението А. Определя се от входно напрежение. Обикновено е в порядъка от 80 – 120 dB.

Постояннотоковите усилватели се използват в аналоговите изчислителни машини и другаде за извършване на математически операциир, а също за контрол и измерване на изходното напрежение на различни постояннотокови източници.


Основен източник на грешка при постояннотоковите усилватели е температурният им дрейф.

Температурно стабилните посттоянтокови усилватели имат параметри, които обикновенно се изменят малко с течение на времето или под влияние на различни фактори.

При инвертиращият ОУ източник на грешки е падът на напрежение, създаден от поляризиращият входен ток върху съпротивление Rг + R1 . За да се компенсира тази грешка към неинвертиращия вход се включва допълнителен резистор ( схема с повишена стабилност ). При нея токовете в двата входа преминават през еднакви съпротивления и създават входно синфазно напрежение, което не се усилва от ОУ с диференциален вход.



2 Проектиране на постояннотоков усилвател
Това се извършва по зададени параметри, характеризиращи входната верига ( входно напрежение, входно съпротивление, съпротивление на източника на сигнала ), изходно напрежение или коефициент на усилване, големина на товарното съпротивление, горна гранична честота при допустими изкривявания, стойност на захранващото напрежение и други.
3. Ред на проектиране
I. Изчисляване на първо стъпало.
1. Коефицент на усилване – Формулата се използва за намиране на стойността на една от трите величини – Af, Ui или Uo, при зададени стойностина другите две величини.



2. Избор на схема – В зависимост от изискванията се избира инвертиращ или неинвертиращ усилвател, като се има пред вид, че неинвертиращият усилвател осигурява по-голямо входно съпротивление.

- избираме схема на неинвертиращ усилвател




3. Избор на ОУ – Извършва се в зависимост на зададените параметри, цената на ИС-ОУ и др. Избраният ОУ трябва да може да осигури необходимата честотна лента.

- избираме ОУ 741


4. Захранващи напрежения. Избраните захранващи напрежения не трябва да превишават максимално допустимите за избрания тип ОУ. Необходимо е също да се вземат пред вид евентуалните изменения на напреженията от захранващия токоизточник. Обикновено се избират захранващи напрежения, равни на номиналните, при които в справочниците се дават основните параметри на ОУ. Ако е необходимо проектираният усилвател да работи с понижени захранващи напрежения или при малка консумирана мощност, избират се специални типове ОУ. За ограничаване на опасността от самовъзбуждане се предвиждат Развързващи кондензатори с капацитет 1÷100 nF, като обикновено се предпочитат по големите стоийности.

- захранващо напрежение -


5. Резистори във веригата на обратната връзка – Обикновено съпротивлението R1 се определя от условието напрежението върху него, получено от протичането на поляризиращия входен ток Iib, да бъде с един порядък по-малко от входния сигнал Ui:




След определяне на R1 съпротивлението RF се изчислява, като се използва формулата за коефицента на усилване:

  • за неинвертиращ усилвател

RF = R1(AF-1) = 4.42kΩ(56.2-1) = 249kΩ


6. Ограничаване влиянието на поляризиращия входен ток.
R2 = R1||RF =
7. Допустима нестабилност на захранващите напрежения. – В справочниците се дава коефицентът KUCC, който показва с колко µV се променя входното напрежение на несиметрия Ui0 на ОУ при изменение на захранващото напрежение с 1 V. Понякога този коефицент се дава в dB. Като се изхожда от общата допустима грешка на усилвателя, се определя ∆Ui0 и след това – допустимата нестабилност на захранващото напрежение:


∆UCC = UCCUCC = 15.0.01 = 0.15V
8. Изменение на изходното напрежение на усилвателя ∆U0 вследствие на несиметрия(разбалансиране) на входното стъпало, дължаща се на Ui0, Ii0 и IiB.






9. Нулиране на общото входно напрежение на несиметрия.- При постояннотоковите усилватели стойността на ∆U0 обикновено е голяма и се налага нулиране на общото напрежение на несиметрия във входната верига, определено от Ui0, Ii0 и IiB. Начинът за нулиране зависи от типа на ОУ. Нулирането се извършва, като на един от входовете се подаде постоянно напрежение с големина до десетина mV, колкото обикновено е максималното напрежение на несиметрия, или малко по-голямо(до 15 – 20 mV). Това напрежение се взема от захранващите източници по такъв начин, че да може да става положително и отрицателно (когато се използват двата източника с различна полярност). Регулирането му се извършва с потенциметъра P, а понижаването му – с делителя R3 – R4.

При регулирането не трябва да се влияе на коефицента на усилване, а също на балансирането на IiB. Поради това целесъобразно е R3 да бъде няколко десетки пъти по-малко от R2, а делителят R3 – R4 да осъществява деление на напрежението на 1000. Тогава R3 и R4 се изчисляват от съотношенията:




10. Допълнителната грешка в изхода на усилвателя при изменение на температурата. Определя се по формулата:

∆TαUi0 = 15mV
∆T.αIi0 = ∆Ii0 = 10*10-9 – 23*10-9
=


11. Ограничаване на входните напрежения. Ако диференциалното или синфазното входно напрежение може да превиши допустимите стойности за дадения тип ОУ, се предвижда защита с обикновени или ценерови диоди.

Силициевите диоди ограничават входното диференциално напрежение до около 0,7 V, а ценеровите диоди – до работното им напрежение на стабилизация. Ограничението е ефективно, ако резисторите R имат поне десет пъти по-голямо съпротивление от съпротивлението на отпушените диоди. Обикновено R=1÷5 kΩ.

Диодите D3 и D4 предпазват ОУ от големи синфазни напрежения. Работното им напрежение се избира равно на напрежението, при което трябва да започне ограничението.

Диодните ограничители на входа на ОУ увеличават входния му капацитет. Затова те трябва да се включат само ако това е наложително.


12. Ограничаване на максималния изходен ток. – Ако ОУ няма вътрешна вградена защита против претоварване и е възможно изходната верига да бъде дадена накъсо (при RT – 0) през време на настройката или при експлоатация, непосредствено до изходната клема се включва ограничителен резистор, който не позволява на тока да превиши максимално допустимата стойност при късо съединение IoS. Съпротивлението на този резистор трябва да бъде:


13. Проверка за максимална амплитуда на изходния сигнал. От честотните характеристики на максималната изходна амплитуда на сигнала Uoppmax (f) се проверява дали е изпълнено условието

където Uopp е изискваната амплитуда (от връх до връх), която може да се получи от ОУ при избраната честотна корекция.

Uoppmax = 14V


7V≤14V
14. Входно съпротивление на:

- неинвертиращ усилвател с обратна връзка



15. Изходно съпротивление на усилвателя с обратна връзка

Обикновено се изисква да бъде изпълнено условието RoF<T
A = 90dB = 31623

16. Обща грешка на коефицента на усилване при нормална температура. Тази грешка е сума от няколко компонента:
εAF = εR + εA≠∞ + εi0UCC
Тук εR е грешката вследствие на неточността на резисторите R1 и RF, определящи коефицента на усилване AF. При използване на прецизни резистори εR = 0,1÷2%. εA≠∞ е грешката, дължаща се на факта, че както коефицентът на усилване А, така и Ri не са безкрайно големи. Тази грешка се изчислява по формулата:



εi0 е грешката поради небалансиране (или непълно балансиране) на входната верига на ОУ –

εUcc е грешката, дължаща се на нестабилността на захранващите напрежения:

εAF = εR + εA≠∞ + εi0UCC = 0.0441


19. Допълнителна температурна грешка на AF в зададения температурен обхват. Състои се от два компонента:

Първият компонент е



II. Изчисляване на второ стъпало


  1. Коефицент на усилване




  1. Избор на схеманеинвертиращ усилвател

  2. Резистори във веригата на обратната връзка




  • Приемаме R1=3kΩ





  • Приемаме RF = 180kΩ


4. Ограничаване влиянието на поляризиращия входен ток.



  • Приемаме R2 = 3kΩ




  1. Допустима нестабилност на захранващите напрежения.


∆UCC = UCCUCC = 15.0.01 = 0.15 V
6. Изменение на изходното напрежение на усилвателя ∆U0





7. Нулиране на общото входно напрежение на несиметрия.

8. Допълнителната грешка в изхода на усилвателя при изменение на температурата.

∆TαUi0 = 15mV
∆T.αIi0 = ∆Ii0 = 10*10-9 – 23*10-9



9. Ограничаване на максималния изходен ток.


10. Изходно съпротивление на усилвателя с обратна връзка

A = 90dB = 31623

11. Обща грешка на коефицента на усилване при нормална температура.
εAF = εR + εA≠∞ + εi0UCC







12. Допълнителна температурна грешка на AF в зададения температурен обхват.



III. Изчисляване на трето стъпало



  1. Коефицент на усилване



2. Избор на схема – инвертиращ усилвател

3. Резистори във веригата на обратната връзка



  • избираме R1 = 1.5 kΩ

  • за инвертиращ усилвател RF е:

RF = R1| AF |


RF = 1500*18=27kΩ
4. Ограничаване влиянието на поляризиращия входен ток.

5. Допустима нестабилност на захранващите напрежения.


∆UCC = UCCUCC = 15.0.01 = 0.15 V
6. Изменение на изходното напрежение на усилвателя ∆U0




7. Нулиране на общото входно напрежение на несиметрия.




  • за R3 избираме стандартна стойност 51Ω


8. Допълнителната грешка в изхода на усилвателя при изменение на температурата.




9. Ограничаване на максималния изходен ток.


10. Избор на честотна корекция – ОУ тип 741 има само вътрешна корекция затова се пренебрегва тази точка от проектирането.
11. Входно съпротивление на

- инвертиращ усилвател с обратна връзка


Riус≈R1
Riус≈1.5kΩ
12. Изходно съпротивление на усилвателя с обратна връзка

13. Обща грешка на коефицента на усилване при нормална температура.







14. Допълнителна температурна грешка на AF в зададения температурен обхват. Състои се от два компонента:

Първият компонент е:




Използвана литература:


  1. Ненов Г. Д. Изчисляване на усилватели и генератори, София, Техника, 2000 г.

  2. Златаров В. К. Ръководство за курсово проектиране по електронни усилватели и генератори, София. 1983 г.

  3. Интернет


Каталог: files -> files
files -> Р е п у б л и к а б ъ л г а р и я
files -> Дебелината на армираната изравнителна циментова замазка /позиция 3/ е 4 см
files -> „Европейско законодателство и практики в помощ на добри управленски решения, която се състоя на 24 септември 2009 г в София
files -> В сила oт 16. 03. 2011 Разяснение на нап здравни Вноски при Неплатен Отпуск ззо
files -> В сила oт 23. 05. 2008 Указание нои прилагане на ксо и нпос ксо
files -> 1. По пътя към паметник „1300 години България
files -> Георги Димитров – Kreston BulMar
files -> В сила oт 13. 05. 2005 Писмо мтсп обезщетение Неизползван Отпуск кт


Поделитесь с Вашими друзьями:




База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2020
отнасят до администрацията

    Начална страница