Универсальный генератор

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Н. Э. БАУМАНА

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР.

Расчетная часть работы

по курсу "Основы электроники"

Цель работы: изучение свойств и принципов действия усилителей низкой частоты на биполярных транзисторах, изучение методики проектирования и расчета генераторов колебаний прямоугольной формы с управляемой частотой следования импульсов.

Задание:

	Обозначение	Значение
Мощность, рассеиваемая на нагрузке, Вт.	Pн	15
Сопротивление нагрузки, Ом.	Rн	5
Нижняя частота, Гц.	fmin	10
Верхняя частота, кГц.	fmax	10
Амплитуда напряжения на входе оконечного каскада, В.	Uвх ОК	2

Обоснование структурной схемы.

Для генерирования прямоугольных импульсов, частота следования которых регулируется с помощью аналогового сигнала, можно выбрать схему функционального генератора с управляемой частотой выходного сигнала. Структурная схема приведена на черт.1.

Для возбуждения колебаний используется коммутатор (повторитель напряжения, знак которого зависит от состояния транзистора ) и триггер Шмидта ( компаратор с положительной обратной связью ).

Для формирования временных интервалов используется интегратор.

Диф.каскад вводится, так как нижняя частота полосы пропускания равна 0.3 Гц, (смотри ниже) и можно говорить, что выходной усилитель - усилитель постоянного тока (УПТ). Из чего следует, что если использовать на входе выходного усилителя просто емкость, то ее величина будет составлять порядка сотен микрофарад или единиц миллифарад, а это достаточно большие величины.

Оконечный каскад будет выполняться в виде двухтактного каскада, так как нагрузка по заданию низкоомна. При правильном подборе режима работы, применение последнего, позволит повысить КПД и понизить нелинейные искажения на выходе усилителя.

Для "раскачивания" двухтактного усилителя и согласования используется предварительный усилитель ОЭ, управляющий входным током транзисторов.

ГСТ используются для стабилизации токов ОЭ и Диф.каскада.

Для значительного уменьшения нелинейных искажений на выходе генератора, используется ООС. Расчётная часть

Генератор колебаний прямоугольной формы с регулируемой частотой следования. Частота следования определяется аналоговым сигналом.

1.  Выбираем ОУ. Т.к. мы имеем маломощный генератор, то

Umax вых ОУ = ±10-12 В, а т.к. сигнал меняется в пределах 3-х порядков по частоте, то Umin вых ОУ = ±10-12 В, следовательно eсм < 10 мВ

Желательно, чтобы скорость нарастания импульса была больше, а зависимость eсм от Т меньше. Данным параметрам удовлетворяет ОУ К154УД2

Uвых = ±10В, Rн = 2 кОм, С = 3¸10 нФ, V = 75 В/мкс, Кeсм = 20 мкВ/K

2. Стабилитрон – элемент включаемый в схему для стабилизации Uвых при скачках Eп. U стабилизации равно U триггера Шмидта => мы выбираем КС182A, у которого Uст = 8,2 В

3. R7 UR7 - Uст = 10-8,2 = 1,8 B, R7 = UR7 / IОУ = 1,8В/5мА = 360 Ом

4. R5 – резистор, необходимый для падения на нём части сигнала при открытом диоде VD1 для предохранения от перегрева полевого транзистора (для того, чтобы привести последний в закрытое состояние требуется малый сигнал)

R5 = (Uст – Uд)/0,2×Im = 7,5 кОм

5. Диод VD1 – необходим для отсечки отрицательного полупериода сигнала, получаемого с триггера Шмидта, для приведения полевого транзистора в открытое состояние (ключ замкнут)

Д220: Im = 5мА, U = 50В – удовлетворяет нашим условиям.

Расчёт интегратора:

IR = IC = 0,8×Imax = 4мА ,

R6 = Umax/IR =10В/4мА = 2,5кОм ,

С1 = Umax/4×Uст×Fmax×R6 = 6нФ.

Расчёт инвертирующего усилителя:

Iвых = 5 мА. Необходимо, чтобы большая часть сигнала пошла на интегратор IR4 = 1мА; Iинтеграт. = 4 мА,

R1 = R4 = Uвых/IR4 = 10В/1мА = 10 кОм.

Для уменьшения помех, создаваемых усилителем, R2 = R3 = R1||R4 =

= 10кОм/2 =5 кОм.

Расчёт делителя напряжения:

Rвх ок = 4,3 кОм,

Uвх ок = 2 В,

Uвых дел = Iдел×R8 = Uстаб×R8/(R8+R9) = Uвх ок = 2 В,

R8 + R9 £ Rвх ок £ 4,3 кОм,

8,2×R9/(R8+R9) = 2В

R8+R9 = 4,3 кОм , откуда R8 = 3,25 кОм,

R9 = 1,05 кОм.

 

II. Эскиз источника питания.

Нам необходимо получить два равных по величине и симметричных относительно земли напряжения: положительное и отрицательное. Мы используем для этого наиболее очевидную схему - мостовой выпрямитель. Благодаря соединению среднего вывода вторичной обмотки трансформатора с общей шиной у нас в любой полупериод входного напряжения на противоположных концах выходной обмотки имеется положительное и отрицательное напряжения. Благодаря емкостям осуществляется двуполупериодное выпрямление выходного напряжения трансформатора.

III. Расчёт оконечного каскада, обеспечивающего усиление сигнала по мощности.

1.  Определяем рабочий диапазон оконечного каскада:

fmin = 10 Гц Tmax = 0,1 c

fmax= 10­4 أِ Tmin= 10-4c

На вход подаются прямоугольные импульсы

а) На верхних частотах:

OK эквивалентен

Uвых(t) = Um×(1 – e-tимп/t)

 tфр = 2,3×t , t - постоянная времени схемы,

 tимп.мин = 1/2×Tmin = 1/(2×fmax) = 1/(2×104) = 5×10-5 c,

 обычно считают tфр = 0,1×tимп min = 5×10­-6 с (наша цель – сделать как можно меньше tфр), а так как tвч = tфр/2,3 , то fвч = 2,3/ tфр×2p =

= 73кГц

б) На нижних частотах:

OK эквивалентен

Uвых(t) = Um×e-tимп/t

d = D/Um = 0,1 (наша цель - сделать как можно меньше D),

 Um - D = Um×e-tимп/t, следовательно 1 - d = e-tимп/t ,

tнч = tимп/d, tнч = tимп/0,1, tимп = 1/2×Tmax = 1/(2×fmin) = 1/(2×10) = 0,05c, tнч = 0,05/0,1 = Ѕ c, следовательно fнч = 0,3 Гц,

 считаем fнч = 0.

fпред ( > 5×fвч ) = 400 кГц , fгран = h21Э× fпред = 50×400кГц = 20 Мгц

Определимся с режимами работы транзисторов. Для транзисторов VT1 и VT2 лучше использовать режимы работы класса АВ. Это немного снизит энергетические показатели работы транзисторов, но зато приведет к значительному уменьшению нелинейных искажений на выходе. Для остальных транзисторов выберем режим А.