Методика и основные этапы проектирования усилителя низкой частоты на основе полупроводниковых приборов. Расчет оконечного каскада, принципы и обоснование выборов транзисторов. Определение параметров входного каскада. Расчет надежности устройства.
Усилительные устройства находят применение в самых различных областях науки, техники и производства, являясь либо самостоятельными устройствами, либо частью сложных приборов и систем. Появление новых полупроводниковых приборов и технологических процессов позволило объединить множество транзисторов, диодов, резисторов в одно устройство - интегральную микросхему (ИМС). 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. Выберем транзисторы по допустимой мощности рассеяния на коллекторе , максимальной амплитуде коллекторного тока и по верхней граничной частоте : ;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 расчета входного каскада выяснилось, что одна микросхема не может дать должный коэффициент усиления изза 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 (Rнагрузки = 18 Ом, Рр.на нагр.
Введение
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). Все это значительно повысило надежность 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 Ід = 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.
Foy=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
ТИП li, 10-6 (интенсивность отказов) N (кол - во)
Диоды 0.2 4
Транзисторы 0.5 2
МС 0.5 2
Резисторы 0.04 10
Соединения 0.004 46
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.
Вывод
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 расчета входного каскада выяснилось, что одна микросхема не может дать должный коэффициент усиления изза 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 (Rнагрузки = 18 Ом, Рр.на нагр. = 11 Вт), а вероятность безотказной работы в течение 1000 часов равна 99.7%.
