Разработка усилительного устройства

Задание

Основанием для разработки является задание по курсу «Электроника и микросхемотехника». Разработка предназначена для усиления электрических сигналов низкой частоты. Область применения — радиоэлектронная аппаратура.

1. Условия эксплуатации системы:

а) температура окружающего воздуха от -10 до +35⁰ С;

б) относительная влажность до 95% при температуре +20⁰ С;

в) атмосферное давление 750 30 мм рт. ст.

2. Эксплуатационно-технические характеристики системы:

а) источник сигнала…;

б) нагрузка…, ;

в) частотный диапазон…, ;

г) линейные искажения…;

д) нелинейные искажения…

Усилительные устройства находят применение в самых различных областях науки, техники и производства, являясь либо самостоятельными устройствами, либо частью сложных приборов и систем.

В настоящее время основными элементами большинства радиоэлектронных устройств являются полупроводниковые приборы. Техника усиления электрических сигналов непрерывно развивается. Это связано в первую с развитием и совершенствованием радиоэлектроники и технологии, разработкой новых усилительных приборов. Появление новых полупроводниковых приборов и технологических процессов позволило объединить множество транзисторов, диодов, резисторов в одно устройство — интегральную микросхему (ИМС). Всё это значительно повысило надёжность электронной аппаратуры.

При развитии линейных ИМС значительно расширились возможности использования усилительных устройств. Применяя в качестве усилительного прибора ИМС, можно решать ряд задач, связанных с аналоговой обработкой сигналов.

Однако реализовать достоинства полупроводниковых приборов можно только при знании их физических свойств, параметров, характеристик и эксплуатационных особенностей.

Полупроводниковые приборы способны работать с большой эффективностью при низком напряжении источников питания и в отдельных случаях при малом рабочем токе. В то же время они весьма чувствительны к перегрузкам, поэтому при проектировании схемы необходимо правильно выбирать рабочие режимы.

Большая чувствительность транзисторов и диодов к изменению температуры и режимов, а также разброс параметров, изменение их величин во время хранения и работы являются особенностями полупроводниковых приборов.

1. Расчет оконечного каскада

Рисунок 1.1 — оконечный каскад УНЧ

1. Выберем транзисторы по допустимой мощности рассеяния на коллекторе, максимальной амплитуде коллекторного тока и по верхней граничной частоте :

;

;

Выбираем транзисторы BDW93B и BDW94B

По характеристикам выбранного транзистора определяем его рабочую область:

Рисунок 1.2 — выходные характеристики транзистора Определяем максимальный ток базы и напряжение насыщения

;

Рисунок 1.3 — входная характеристика транзистора по входной характеристике определяем

Отсюда

2. Определяем максимальное напряжение на нагрузке и напряжение питания :

3. Определяем глубину отрицательной обратной связи по формуле:

;

4. Рассчитываем резисторы делителя:

Так как мы берем четыре диода, то на каждом из них падение напряжения будет равно:

Выбираем диод 1N4934.

По ВАХ диода определяем I_д = 2мА и находим значение сопротивления делителя напряжения :

.

5. Рассчитаем входное сопротивление усилителя :

6. Рассчитаем амплитудные значения входного сигнала, обеспечивающие заданную мощность на выходе:

2. Расчет входного каскада

1. Определим необходимый коэффициент усиления Ku:

;

Выберем операционный усилитель OP183G.

F_оу=5 МГц

;

— следовательно, условия по заданной граничной частоте не выполняются, и необходимо взять второй ОУ.

.

;

— следовательно, условия по заданной граничной частоте выполняются

2. Зададим Откуда найдем R₄ = R₅ = R₇

усилитель частота полупроводниковый

3. Расчет надежности

Таблица 3.1 — интенсивность отказов элементов принципиальной схемы

Вероятность безотказной работы в течении t часов вычисляется:

Вероятность безотказной работы в течение тысячи часов:

Как видим, вероятность безотказной работы в течение тысячи часов достаточно велика и можно утверждать, что схема не выйдет из строя с вероятностью 99,7%.

Вероятность безотказной работы в течение миллиона часов:

Можно утверждать, что в течение миллиона часов схема примерно с вероятностью 97% выйдет из строя.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан усилитель электрических сигналов первичных измерительных преобразователей систем автоматического регулирования, который представляет собой усилитель переменного тока низких частот (0.14 кГц).

В схеме используются резисторы, диоды, транзисторы, операционные усилители, которые не могут осуществлять работу схемы от одного источника, поэтому было использовано 4 источника энергии: 2 во входном и 2 в оконечном каскадах.

В качестве входного каскада использован операционный усилитель, что значительно облегчило расчет и проектирование. Однако в процессе расчёта входного каскада выяснилось, что одна микросхема не может дать должный коэффициент усиления из-за верхней граничной частоты (при необходимом коэффициенте усиления = 703.56, она в 2 раза меньше заданной), поэтому пришлось использовать два последовательно соединенных операционных усилителя.

В результате, разработанный прибор полностью удовлетворяет данным, представленным в техническом задании (R_{нагрузки} = 18 Ом, P_{р.на нагр.} = 11 Вт), а вероятность безотказной работы в течение 1000 часов равна 99.7%.

Перечень ссылок

Гершунский Б. С. Справочник по расчету электронных схем / Гершунский Б. С. — 1987.

Гершунский Б. С. Основы электроники и микроэлектроники / Гершунский Б. С. — 1987.

Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам / Лавриненко В. Ю. — 1984

Булычев А. Л. Аналоговые интегральные схемы / Булычев А. Л., Галкин В. И., Прохоренко В. А. — 1993.