Проектирование усилителя

ЗАДАНИЕ Спроектировать видеоусилитель, обеспечивающий полосу пропускания от f_н=50 Гц до f_в=6,5 МГц, коэффициент усиления К=100, нестальбильность коэффициента усиления не более 1%, амплитуду выходного напряжения U_вых=100 В.

ВВЕДЕНИЕ

Усилительным устройством (усилителем) называется устройство, в нагрузку которого поступает усиленный по мощности входной сигнал. Эффект усиления сигнала по мощности наблюдается только в том случае, когда имеется источник энергии, за счёт которого можно увеличить мощность сигнала на выходе. В зависимости от вида энергии, отбираемой от источника питания, усилители делятся на электрические, пневматические, механические и др. Среди множества современных электронных устройств усилители электрических сигналов получили самое широкое распространение. Они применяются в устройствах радиосвязи, радиовещания, телевидения, измерительной технике, автоматике, вычислительной технике, в устройствах бытовой техники и т. п. Поэтому трудно переоценить значение усилителей для науки и технике.

Неотъемлемой частью любого усилителя является источник питания, который в большинстве случаев представляет собой источник постоянного тока (выпрямитель, химический источник тока, и т. п.). Следует отметить, что в электронных усилителях может быть не один, а два и более источника питания. В магнитных и в диэлектрических усилителях, а иногда и в мощных оконечных каскадов оконечных усилителей, применяются источники переменного тока.

В качестве усилительных элементов в усилителях используются биполярные и полевые транзисторы, аналоговые ИМС, лампы, тиристоры, транзисторные оптопары и др., т. е. для усиления электрических сигналов в них в основном применяются явления проводимости в полупроводниках, в вакууме и т. д. Известно также, что электрические сигналы усиливаются с помощью дросселей насыщения (в магнитных усилителях), варикапов и в варикондов.

Классификация электронных усилителей только по назначению (измерительные, радиолокационные, следящих систем и т. д.) не раскрывает всех их особенностей т.к. усилители различного назначения могут обладать одинаковыми свойствами. Поэтому, подразделяя усилители на типы:

Полосу и абсолютные значения усиливаемых частот.

Характер входного сигнала.

Назначение усилителя.

Используемые УЭ.

Тип ИП.

Все усилители характеризуются полосой пропускания f, которая равна разности верхней f_в и нижней f_н граничной (сопрягающей) частот. Полоса пропускания усилителя, как правило, связывается с шириной спектра усиливаемого сигнала.

В зависимости от полосы усиливаемых частот усилители делятся на два типа:

Усилители постоянного тока.

Усилители переменного тока.

Если избирательность обеспечивается за счёт использования колебательных контуров, избирательный усилитель называется резонансным. Избирательные усилители с плоским или многогорбым средним участком и резко ограниченными краями АЧХ называется полосовыми. Имеется и специальные узкополосные усилители с полосой пропускания в несколько герц. По назначению усилителя делятся на усилители напряжения, тока и мощности. По последнему признаку усилители делятся на полупроводниковые и ламповые, магнитные, диэлектрические, изолирующие.

РАСЧЁТ БЛОКА ДВУПОЛЯРНОГО ПИТАНИЯ Для питания данной схемы необходимо использовать двуполярный источник напряжения, т.к. в схеме применены операционные усилители.

Спроектируем источник питания, показанный на рисунке 1.

Расчет источника питания будем проводить в обратном порядке (т.е. сначала произведем расчет стабилизатора, далее фильтров, затем выпрямителей и трансформаторов).

Для обеспечения работоспособности схемы, блок питания должен выдавать 15 В стабилизированного напряжения и 30мА тока.

Расчет стабилизатора напряжения.

1. Зная U_вых=15 В по напряжению стабилизации выбираем тип стабилитрона VD₉ (Д815: U_ст=15 В, I_стmax=500 мА, r_ст=8 Ом). (Два стабилитрона вследствие того, что источник напряжения, требуемый для питания ОУ биполярный.) полосовой усилитель двуполярный питание Уточняем выходное напряжение U_вых=U_ст=15 В.

Задаемся коэффициентом пульсации на входе стабилизатора (примем U_вхmax=20.5 В), коэффициент стабилизации К_ст=0.5.

(11)

Зададимся относительными отклонениями сети в сторону повышения и понижения а_max=a_min=a_пер=0.5.

Определим максимальный коэффициент стабилизации.

(12)

Убеждаемся, что заданная величина К_ст<�К_стmax.

Определяем номинальное входное напряжение стабилизатора.

(13)

Определяем сопротивление R₉

(14)

Определяем мощность, рассеиваемую в резисторе R₉.

(15)

По ГОСТу выбираем резистор с ближайшим, меньшим номиналом: данным требованием удовлетворяет резистор МЛТ мощностью 1 Вт, номиналом 36 Ом.

Расчет LC фильтра.

Зададимся коэффициентом пульсации на входе фильтра. К_пвх=0.075, тогда коэффициент сглаживания q равняется:

(15)

Определяем произведение L₁C₁:

(16)

где m — количество одновременно работающих диодов в выпрямительном устройстве (в нашем случае m=2).

Определяем индуктивность L.

(17)

где f — частота осветительной сети.

Определяем С₁.

(18)

Расчет мостового выпрямителя.

По справочным данным выберем выпрямительные диоды, удовлетворяющие максимальным значениям выпрямленного напряжения, максимального обратного напряжения, рабочей частоте, прямому максимальному току. Данным параметрам удовлетворяет выпрямительный диод Д223А.

Определим сопротивление трансформатора.

(19)

где j — плотность тока в обмотках трансформатора (принимаем равным 3 А/мм²), B — магнитная индукция (принимаем равным 1.3 Т).

Определим напряжение холостого хода трансформатора.

(20)

Определим мощность трансформатора.

(21)

Определим напряжения вторичных обмоток.

(22)

Ток вторичной обмотки равен току I₀.

Расчет трансформатора.

Определим произведение поперечного сечения стержня магнитопровода на площадь окна.

(23)

где B=1.5 T, j=4 А/мм², k_м=0.2, k_c=0.96, =0.7.

По определенному произведению S_стS_ок из таблицы определяем тип магнитопровода и его основные габаритные размеры (магнитопровод ленточный марки, а=8, b=12.5, c=10, h=16.

Определим количество витков обмоток трансформатора.

(24)

(25)

Определим диаметры обмоток проводов трансформатора.

(26)

(27)

где (28)

5. Так как наш трансформатор является маломощным и низковольтным, выберем марку проводов ПЭВ-2.

РАСЧЁТ ФВЧ Фильтр верхних частот представляет собой устройство, которое пропускает сигналы верхних частот, но задерживает сигналы нижних. Рассчитаем ФВЧ представленный на рисунке 2.

Передаточная функция ФНЧ в общем виде для фильтров первого порядка записывается в виде:

(5)

Построим сигнальный граф (рисунок 3), по нему запишем передаточную функцию для данного фильтра:

(6)

В нашем случае К=2, (7),(8), тогда R₃=R₄=10 кОм.

Определим номиналы элементов.. По заданию f_н=50 Гц, отсюда следует:. Выберем R₂=10 кОм, тогда С₂= 353,7 мкФ.

Исследуем АЧХ данного фильтра. АЧХ получается при взятии модуля от передаточной функции и замене оператора Лапласа на оператор .

(9)

Построим данную зависимость в логарифмическом масштабе.

На данном графике была проведена линия по уровню 0,707 и определена частота среза, которая совпала с расчётной:. Особенностью данного фильтра является то, что его полоса пропускания лежит в пределах от до =.

Исследуем ФЧХ данного фильтра. Она определяется как зависимость аргумента передаточной функции, при замене оператора Лапласа на оператор, от частоты.

Построим данную зависимость в логарифмическом масштабе.

Особенностью ФЧХ данного типа является, то что фаза в полосе пропускания равна нулю, а в полосе задержки растёт до /2.

РАСЧЁТ ФНЧ Фильтр нижних частот представляет собой устройство, которое пропускает сигналы нижних частот, но задерживает сигналы верхних. Рассчитаем ФНЧ представленный на рисунке 6.

Передаточная функция ФНЧ в общем виде для фильтров первого порядка записывается в виде:

(1)

Построим сигнальный граф (рисунок 7), по нему запишем передаточную функцию для данного фильтра:

(2)

В нашем случае К=1,, (3)

Определим номиналы элементов.. По заданию f_в=6 МГц, отсюда следует:. Выберем R₁=10 кОм, тогда С₁=2,227 пФ.

Исследуем АЧХ данного фильтра. АЧХ получается при взятии модуля от передаточной функции и замене оператора Лапласа на оператор .

(4)

Построим данную зависимость в логарифмическом масштабе.

На данном графике была проведена линия по уровню 0,707 и определена частота среза, которая совпала с расчётной. Особенностью данного фильтра является то, что его полоса пропускания лежит в пределах от =0 до .

Исследуем ФЧХ данного фильтра. Она определяется как зависимость аргумента передаточной функции, при замене оператора Лапласа на оператор, от частоты.

Построим данную зависимость в логарифмическом масштабе.

Особенностью ФЧХ данного типа является, то что фаза в полосе пропускания равна нулю, а в полосе задержки падает до -/2.

РАСЧЁТ ВЫХОДНОГО КАСКАДА Для обеспечения заданных параметров, таких как нестабильность коэффициента усиления и полосы пропускания, выберем прецизионный быстродействующий ОУ со встроенным ВЧ-каналом, а именно КР140УД17.

Параметры ОУ КР140УД17:

К_уU = 50 000

f₁ = 15 МГц

U_см = 4 мВ

U_вых = 12 В

R_н = 2 кОм

U_ип = 15 В

I_пот = 8 мА На данном ОУ построим выходной каскад с К=7,5.

(10), тогда R₅=10 кОм, R₆=6,5 кОм.

При К=7,5 и заданной полосе пропускания, данный ОУ можно использовать без дополнительной частотно-корректирующей цепочки. Также этот ОУ способен работать на заданную нагрузку (R_н=1 кОм) и обеспечить заданную амплитуду выходного напряжения 3 В.

РАСЧЁТ АЧХ И ФЧХ ВИДЕОУСИЛИТЕЛЯ Видеоусилитель представляет собой устройство, которое усиливает сигналы заданной полосы частот. Рассчитаем ВУ представленный на рисунке 11.

Передаточная функция данного устройства представляет собой произведение передаточных функций ФНЧ, ФВЧ и выходного каскада. H (p)=10H_ФНЧ(p) H_ФВЧ(p).

Исследуем АЧХ данного усилителя. АЧХ получается при взятии модуля от передаточной функции и замене оператора Лапласа на оператор .

На данном графике была проведена линия по уровню 0,707 и определены частоты срезов, которые совпали с расчётными: и w_cреза2=4.608*10⁷. Особенностью данного усилителя является то, что его полоса пропускания лежит в пределах от до .

Исследуем ФЧХ данного усилителя. Она определяется как зависимость аргумента передаточной функции, при замене оператора Лапласа на оператор, от частоты.

Особенностью ФЧХ данного типа является, то что фаза в полосе пропускания равна нулю, а в полосах задержки растёт до /2 либо падает до -/2.

РАСЧЁТ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ Расчёт печатных плат сводится к проведению следующих пунктов:

Реконфигурирование исходной принципиальной схемы Определение основных геометрических размеров печатной платы, используемого материала, диаметра монтажных и технологических отверстий .

Разводка печатных проводников В нашем случае схема в реконфигурировании не нуждается, так как особых требований по плотности монтажа в задании не предъявляется, то выберем для удобства, размеры плат равными 10×5 см. Платы будем делать одинаковыми исключительно в целях удобства корпусирования. Материал для плат возьмём — фольгированный гетинакс, печатный монтаж, в виду простоты схемы будем проводить односторонний. Диаметры монтажных отверстий возьмём стандартные. Трансформатор TV сделаем навесным элементом.

Таблица № 1

ВЫВОД В ходе проектирования полосового усилителя по заданным параметрам был сделан 10% допуск по полосе пропускания, с целью учесть отклонения реальных элементов от расчётных, а следовательно отклонения характеристик реального устройства от заданных. В ходе работы был изучен принцип построения полосовых усилителей на быстродействующих ОУ, а также выявлены некоторые ограничения по проектированию усилителей данного класса на фильтрах низкого порядка. Данные ограничения проявляются в виде срезания АЧХ при достаточно узкой полосе пропускания. В этом случае необходимо повышать добротность или порядок фильтра.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

МРБ. Справочная книга радиолюбителя-конструктора.

Г. С. Остапенко Усилительные устройства.

Ю.А. Быстров, И. Г. Мироненко Электронные цепи и устройства.

Аналоговые интегральные микросхемы. Справочник 1994 г.

П.А. Ионкин Основы теории цепей.

П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники Т. 1.

А.Дж. Пейтон, В. Волш Аналоговая электроника на операционных усилителях.

Е.И. Манаев Основы радиоэлектроники.

А.В. Цыкина Электронные усилители.