Курсовая работа (т): Электронные цепи и микросхемотехника
Электронные цепи и микросхемотехника
ВВЕДЕНИЕ
Курсовая работа является одним из этапов изучения дисциплины «Электронные цепи и микросхемотехника» и имеет своей целью приобретение навыков расчета параметров элементов электрических схем.
Данная работа предусматривает возможность практического применения знаний, полученных на лекциях и в результате самостоятельной подготовки. При выполнении курсовой работы необходимо решить ряд задач, тематика которых отражает основные разделы изучаемой дисциплины.
В первой части необходимо разработать усилитель
низкочастотного сигнала с заданным коэффициентом усиления. Во второй части
произвести синтез ФВЧ на базе операционных усилителе. В третьей части курсовой
работы разработать логическое устройство, предварительно составив таблицу
истинности и карту Карно. В последней четвертой части требуется разработать
блок питания под усилительный каскад.
1. РАЗРАБОТКА МАЛОСИГНАЛЬНОГО УНЧ
Исходные данные:
Uвх, мВ
Ri, Ом
f, Гц
Rн, Ом
Uвых, В
200
1
400
500
40
где Uвх- входное напряжение,
f-частота сигнала входного источника , Ri - сопротивление источника, Rн -
сопротивление нагрузки, Uп - напряжение источника питания.
Анализируя требования данного задания можно
прийти к выводу, что задание может быть выполнено с помощью широкого
разнообразия схемотехнических решений. Одним из наилучших решений является
использование двух каскадов с общим эмиттером (рис.1) и двухтактного каскада с
общим коллектором на выходе (рис. 2) для согласования с малой нагрузкой Rн
= 500 Ом. Для согласования нагрузки с последним каскадом необходимо применить
согласующее устройство, имеющее малое выходное сопротивление и большое входное.
Таким качеством обладает двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности,
который так же позволяет максимально полно использовать напряжение и ток
источника питания с целью обеспечения более высокого коэффициента полезного
действия.
Рис. 1. Принципиальная схема каскада с общим эмиттером.
Рис.
2. Принципиальная схема двухтактного каскада.
1.1 Расчет выходного каскада
Рассчитаем максимальный ток нагрузки:
Iн=
Определим мощность, рассеиваемую на нагрузке:
Рн= Расчёт ведём с мощностью P:
P≥1,1*Pн
= 1,1×1,6 = 1,76 Вт
Определим максимальный ток коллектора:
I
к макс= Минимальное напряжение в цепи коллектор -
эмиттер определим по выходным характеристикам транзисторов. Остаточное
напряжение ∆Uкэ
должно
отсекать нелинейную часть характеристик. Принимаем ∆Uкэ=
1В.
Рассчитаем напряжение питания:
Eп≥2×( Выбираем источник питания Uп=82
В
Для симметрии плеч транзисторы должны полностью
совпадать по своим параметрам.
Выбираем транзисторы 2SC2383
и 2SA1013.
Рис. 3. Выходная вольт- амперная характеристика.
Определим по выходной ВАХ ток эмиттера и
напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке.
Iэ0
= 5мА
Uкэ0
= 80В
Определим сопротивление коллектор-эмиттер.
Ток базы в рабочей точке Iб0
= 20 мкА
Коэффициент усиления по току
h21
= Рис. 4. Входная вольт- амперная характеристика.
По входной ВАХ определим напряжение база-эмиттер
в рабочей точке, при Iб0
= 20 мкА.
Uбэ0
= 580 мВ
Определим сопротивление база-эмиттер.
Рассчитаем цепь базового делителя R1
-
R4.
Примем ток делителя Iдел
=5 Iб0
= 5⋅
20мкА= 100мкА
Сопротивление R2-
R3 формирует
смещение Uбэ0 = 580мВ
Падение напряжение на сопротивление R1
и R4:
Ток в цепи делителя:
Рассчитаем сопротивление R1
и R4:
Из ряда Е24 выбираем номинал R3=R2
=5600 Ом, R1=R4=330
кОм.
Рассчитаем входное сопротивление каскада
усилителя мощности.
= 1.331 Рассчитаем разделительный конденсатор на входе
каскада.
Из ряда Е24 выбираем номинал 270 нФ.
Из ряда Е24 выбираем номинал 8.2 мкФ.
Собираем схему в среде OrCad.
Рис. 5. Схема выходного двухтактного каскада.
Рис. 6. Результат моделирования выходного
двухтактного каскада в среде OrCad.
Рассчитываем коэффициент усиления по напряжению
Ku = Расчёт результирующего коэффициента усиления
K= Коэффициент усиления для одного каскада
K1=K2=
Проверка входного сопротивления.
Рис. 6. Размах по току Рис. 7. Размах по напряжению Входное сопротивление
Заново выберем конденсатор на входе каскада.
Из ряда Е24 выбираем номинал 360нФ.
1.2 Расчет каскада предварительного усиления
Пересчитаем напряжение источника питания.
Рассчитаем сигнал, который нужно подать на вход
каскада предварительного усиления, чтобы получить нужное выходное напряжение с
учётом ослабления на стыке двух последних каскадов и ослабления на выходном
каскаде.
где 0.8333 - коэффициент ослабления сигнала в
выходной цепи.
Рассчитаем напряжение источника питания.
Найдём сопротивление на коллекторе.
Из ряда Е24 берём номинал 11.6 кОм
Рассчитаем сопротивление эмиттера.
Rэ = Rк*0.8333/Ku
= 11.6к*0.8333/ 15 = 644Ом
Из ряда Е24 берём номинал 620 Ом
Рассчитаем напряжение коллектор-эмиттер.
Вычислим ток коллектора.
Iк = Рассчитаем ток базы.
Коэффициент усиления зависит от положения
рабочей точки. Рабочая точка по отношению к рассмотренному ранее каскаду
смещена несущественно (вместо 5 мА - 4,3 мА).
Рассчитаем цепь базового делителя R1-R2.
Из ряда Е24 берём номинал 39 кОм
Из ряда Е24 берём номинал 1 МОм
Расчёт входного сопротивления.
Для начала рассчитаем сопротивление между базой
и общим проводом (землёй).
Расчёт выходного сопротивления.
Расчёт конденсаторов.
Из ряда Е24 берём номинал 130нФ
Собираем схему в среде OrCad.
Рис. 8. Схема каскада предварительного усиления.
Рис. 9. Результат моделирования каскада
предварительного усиления в среде OrCad.
Проверим входное сопротивление.
Рис. 10. Размах по напряжения Рис. 11. Размах по току Проверим коэффициент усиления.
Рис. 12. Выходная вольт- амперная
характеристика.
Ku = .3 Расчет входного каскада
Рассчитаем сопротивление на коллекторе.
Из ряда таблицы E24
берём номинал 5.6 кОм.
Вычислим сопротивление на эмиттере.
Так как коэффициент усиления тот же, то
напряжение на эмиттере будет тоже самое, а напряжение на базе определяется в
основном величиной этого напряжения (в каскаде выше 4,3*620 против 580 мВ на
переходе).
Из ряда таблицы E24
берём номинал 300 Ом.
Собираем схему в среде OrCad.
Рис. 13. Схема входного каскада.
Рис. 14. Результат моделирования входного
каскада в среде OrCad.
Рис. 15. Размах по напряжению Рис. 16. Размах по току 1.4 Моделирование УНЧ
Построив и рассчитав три усилительных каскада,
строим общую схему усиления и находим коэффициент усиления.
Рис. 17. Модель усилителя в среде OrCad.
Рис. 18. Результат моделирования.
Рассчитаем коэффициент усиления.
Рис. 19. Выходная характеристика усилителя.
Рис. 20. Входная характеристика усилителя.
Проведём частотный анализ.
Рис. 21. ЛАХЧ усилителя.
Как видим заданная частота работы усилителя (400
Гц) находится в полосе пропускания.
На данной частоте коэффициент усиления
соответствует 46 дБ. Рассчитаем его в относительных величинах, чтобы убедиться
в правильности моделирования:
Следовательно, расчет выполнен верно.
Рис. 22. Выходной сигнал, разложенный в ряд
Фурье (спектр).
Определим мощности, рассеиваемые на резисторах.
Рис. 23. Мощность на участках цепи.
PR2
=
10.61 мВт PR8
= 13.39 мВт
PR3
=
206.8 мВт PR9
= 248.2 мкВт
PR4
= 18.97 мВт PR10
= 62.64 мкВт
PR5
= 351 мВт PR11
= 9.842 мВт
PR6
= 10.51 мВт PR12
= 62.64 мкВт
PR7
= 279.3 мкВт PR13
= 6.93 мВт
Рис. 24. Выходной сигнал при температурах 0 ͦ
; 27 ͦ ; 100 ͦ .
График свидетельствует о неплохой температурной
стабильности.
2.СИНТЕЗ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ НА
БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ
Исходные данные:
Тип преобразователя:
W(p)
= Параметры преобразователя:
входное сопротивление, не менее: Сопротивление нагрузки, не более: Параметры входного сигнала
амплитуда: частота: По условию необходимо реализовать фильтр нижних
частот (Рис 2.2), причем максимальная частота, проходящего сигнала Рис.
2.1. Неинвертирующий повторитель
Рис.
2. 2. Фильтр нижних частот первого порядка.
Рис. 2.3. Фильтр верхних частот первого порядка.
2.1 Расчёт ФНЧ
Фильтр нижних частот, представленный на Рис.2.2
имеет передаточную функцию следующего вида:
K(jw)
= Анализируя значения входного сопротивления и
сопротивления нагрузки, примем Так как K
= - МОм недопустимое значение Используя соотношение 0.01 = С = Рис. 2.4. Результат моделирования ФНЧ в среде OrCad.
Рис. 2. 5. ЛАЧХ ФНЧ.
Рис. 2.6. Моделирование ФНЧ и результат в среде MatLab.
2.2 Расчёт ФВЧ
Фильтр верхних частот, представленный на Рис.2.3
имеет передаточную функцию следующего вида:
K(jw)
= Из расчётов в пункте 2.1 было выяснено, что
значение сопротивление будет вычислено, исходя из нового значения коэффициента
усиления K=32.3.
Рис. 2.7. Результат моделирования ФВЧ в среде OrCad.
Рис. 2.8. ЛАЧХ ФВЧ.
Рис. 2.9. Моделирование ФВЧ и результат в среде MatLab.
.2 Неинвертирующий повторитель
Рис. 2.10. Результат моделирования
неинвертирующего повторителя в среде OrCad.
Рис. 2.11. Моделирование неинвертирующего
повторителя и результат в среде MatLab.
Также между фильтром низкой и верхней частоты
необходимо поместить конденсатор для того, чтобы избавиться от постоянной
составляющей. Примем его значение С = 1 мФ.
2.3 Моделирование преобразователя в среде OrCad
Рис. 2. 12. Модель преобразователя в среде OrCad.
Рис. 2. 13. Входные и выходные характеристики
преобразователя в среде OrCad.
Получим ЛАЧХ нашего преобразователя.
Рис. 2.13. ЛАХЧ преобразователя в OrCad.
Рис. 2.14. Моделирование преобразователя и
результат в среде MatLab.
3. РАЗРАБОТКА КОМБИНАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКОГО
УСТРОЙСТВА (КЛУ)
КЛУ реализует управление объектом с
помощью логического сигнала Y. Состоянию объекта соответствуют входные
комбинации, заданные в шестнадцатеричном коде:
- включено при 3,6,8,B,C,
выключено при 4,5,7,F
Порядок выполнения расчета
Составляем таблицу истинности для
заданной функции (таблица 1)
Таблица 1.
HEX
x4
x3
x2
x1
Y
23
22
21
20
3
0
0
1
1
1
6
0
1
1
0
8
1
0
0
0
B
1
0
1
1
C
1
1
0
0
4
0
1
0
0
0
5
0
1
0
1
7
0
1
1
1
F
1
1
1
1
0
0
0
0
0
X
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
9
1 0
1
A
1
0
1
0
D
1
1
0
1
E
1
1
1
0
x - функция может принимать любое
знание
Составляем карту Карно (таблица 2).
Таблица 2.
* и 1* - добавленные произвольным образом
значения функции.
Для полученной карты Карно составляем логическую
функцию и осуществляем ее минимизацию:
Y
= Полученная функция реализуется на 5 элементах: 4
элементах 2И-НЕ, 1 элементе 3И-НЕ т.е. реализовать КЛУ на одной ИС серии 561
невозможно. Выбираем ИС К561ЛА7 4(2И-НЕ) и ИС К561ЛА9 3(3И-НЕ).
Параметры серии К561
Таблица 3.
1
Напряжение питания
3...15 В
2
Входное напряжение низкого уровня
3
Входное напряжение высокого уровня
4
Входной ток низкого уровня
≥2 мА
5
Выходной ток высокого уровня
≥0,6мА
6
Ток нагрузки
7
Емкость нагрузки
8
Длительность фронта и среза входного импульса
9
Температура окружающей среды
-45...+85 ° C
Рис. 3.1. Принципиальная схема КЛУ
Составляем по минимизированной логической
функции принципиальную электрическую схему.
Результаты моделирования в среде OrCad:
Рис. 3.2. Модель КЛУ
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000
1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
Рис.3.3.Входные и выходной сигналы КЛУ
Мы видим, что выходная функция Y модели КЛУ
соответствует заданной.
4. РАЗРАБОТКА ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ УНЧ
Техническое задание: рассчитать транзисторный
стабилизатор постоянного напряжения. Выходное напряжение 106В .1 Выбор принципиальной схемы стабилизатора
Для получения высокой температурной стабильности
в схеме стабилизатора должен присутствовать высококачественный стабилитрон
(например 1N5225). Схема рассчитываемого стабилизатора приведена на рисунке
4.1.
Рис. 4.1. Компенсационный стабилизатор
напряжения.
Определение
исходных
данных
для расчёта
Коэффициент стабилизации
Выходное сопротивление
Минимальное значение входного напряжения приняв Номинальное значение входного напряжения
Мощность, потребляемая стабилизатором
Полезная мощность в нагрузке
Коэффициент полезного действия
ɳ = Выбор регулирующего элемента
Выбираем транзисторBC847A
(Uкэ=45 В, Iк=0.1 А, b=250)
Ток базы транзистора VT1
Сопротивление резистора R1
R1 = Из стандартного ряда сопротивлений E24
выбираем 600Ом
Выбор источника опорного напряжения
В качестве источника опорного напряжения
выбираем стабилитрон типа 1N5225
(Uсm=3 В, Icm=20 мА). Тогда
R2 = Выберем из ряда Е24 R2=5.1
кОм
Примем ток делителя равным току стабилизации Iст
= 20 мА, а так же сопротивлениеR2=
R4
Выбираем транзистор VT3 аналогичный VT1
и VT2
R3 = Из стандартного ряда сопротивлений выбираем 45
Ом.
Рассчитаем мощность резисторов:
РезисторыR1-R5 возьмём мощностью
0.125 Вт.
Расчет выпрямителя и фильтра.
Коэффициент пульсаций
Пренебрегая активным сопротивлением обмоток
трансформатора получаем:
Переменное напряжение на вторичной обмотке
трансформатора
Коэффициент трансформации
Выбор конденсатора фильтра
Согласно ряду E24
Выбор диодов выпрямителя. Средний ток через диод
Максимальное обратное напряжение на диоде равно
входному напряжению стабилизатора 16.75 В. Выбираем диоды 1N4148cо
следующими параметрами: Iмакс=0.1А, Uобр=50В.
Рис.4.2. Модель стабилизатора напряжения в
программном комплексе Orcad.
Рис.4.3. Выходное напряжение стабилизатора при
сетевом напряжении 220В.
Рис.4.4. Входное напряжение стабилизатора при
сетевом напряжении 220В.
Рис.4.5. Выходное напряжение стабилизатора при
сетевом напряжении 222В.
Рис.4.6.Входное напряжение стабилизатора при
сетевом напряжении 222В.
Рис.4.7. Выходное напряжение стабилизатора при
сетевом напряжении 198В.
Рис.4.8. Выходное напряжение стабилизатора при
сетевом напряжении 198В.
Рис.4.9. Выходное напряжение стабилизатора при
температурах 0, 27, 100 оС
Судя по полученному графику схема обладает
температурной стабильностью 0.42мВ/К
Видим, что стабилизатор обеспечивает заданный
коэффициент пульсаций на выходе:
ΔUп = 106.067
- 106.023 ≈ 44мВ
Так как для питания УНЧ нужны два сигнала по
106В, противоположные по знаку, то для питания УНЧ будет использоваться 2
источника питания. Второй будет аналогичен по схеме за исключением того, что
транзисторы VT1 и VT3
будут заменены на аналогичные с PNP-структурой.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовом проекте спроектировано четыре
устройства электронной техники: транзисторный каскад усилителя низкой частоты,
преобразователь аналоговых сигналов на базе операционного усилителя, комбинационно-логическое устройство и
стабилизированный источник питания для каскада УНЧ. Данный проект позволил
получить навыки использования пакетов прикладных программ и расчета простейших
устройств электронной техники.
Транзисторный УНЧ представлен двумя каскадами с
ОЭ и одним двухтактного каскада с ОК на выходе, которые выдают нам на выходе
напряжение с нужным нам коэффициентом усиления.
Преобразователь аналоговых сигналов на базе
операционного усилителя построен на неинвертирующем повторителе,
дифференциаторе и интеграторе и адекватно преобразует сигнал в соответствии с
заданием.
Количество корпусов спроектированного КЛУ
минимизировано до пяти.
В СН получена температурная стабильность
0.42мВ/К и коэффициент пульсаций выходного напряжения не превышает заданных
70мВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
усилитель частота сигнал
1. Электронные цепи и
микросхемотехника: Учебник/ Ю.А. Быстров, И.Г. Мироненко.- М.: Высш.шк., 2002г.
.П. Хоровиц, У.Хилл Искусство
схемотехники: Перевод с английского под ред. д.т.н М.В.Гальперина- М.; Мир,
1986
.Интегральная электроника в
измерительных устройствах/ Гутников В.С.. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 304 с.
.В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев Электроника -
М.: Высшая школа, 1991.
. Титце У., Шенк К.
Полупроводниковая схемотехника. 12_е изд.- М.: ДМК Пресс, 2008. - 832 с.
.Р. Корис, Х. Шмидт-Вальтер.
Справочник Инженера-схемотехника -М.:Техносфера, 2008
=
=
0,08 А
=
= 1,6 Вт
=
≈ 0,08 А
)
=2×(
) =82 В
= 250
= 
=
=
5800 Ом
- 
=
-
580 × 
= 40.42 В
+ 
=
100×
+ 20 × =
120 мкА
= 
=
≈
336833 Ом
= 
+
=
+
=
= 
≈
75 кОм
= 
=
=
265 нФ
= 
=
=
7.96 мкФ
=
=
0.935
=
=
214
=
15
=
17 мкА
=
0.9975В
= 
=
58.5 кОм
= =
=
340 нФ
= 
=
51.34 В ≈ 52В ,
= ×2
+2 = 52×2 +2 =106 В
=
= 
=
11.7kОм
= 
=
=
53В
=
=
4.3 мА
= 
=
=
17.2 мкА
= 5×
=5×17.2 мк = 86 мкА
= 
=
=
37.744к Ом
= 
=
=
993 798 Ом
≈ 
+
×
= 1000+250×620 = 156 кОм
= ||
= 41.227 кОм
= 
||||
= 32.6 кОм
≈ =
11.6 кОм
= 
=
=
122 нФ
2.979
В
100
мкА
= = 
=
29.79 кОм
=
15.6
= 
=
=
5.96 кОм
= 
=
=
311 Ом
=
6.1175 В.
205.138
мкА
= = 
=
29.82 кОм
= 41.447 В
= 199.998 мВ
= 
=
≈
202
;
=
=
200
1
МОм
100
Ом
=
10 мВ
=
0 ...1кГц
=
1кГц, следовательно на выходе также потребуется фильтр верхних частот
(Рис.2.3). К тому на входе будет использован неинвертирующий повторитель (Рис.
2.1.). Заданные параметры не накладывают строгих требований к операционному
усилителю, поэтому выберем усилитель LМ358.
= 10 кОм.
=
1000, получим
= K
× =
1000 × 10к = 10 MОм
для
операционного усилителя (токи в таких сопротивлениях будут сравнимы с входными
токами), поэтому разбиваем систему решений на два каскада с коэффициентом
усиления K = 
≈
32.3. И продолжим расчёт значений для каскадов согласно новому значению
усиления.
= K
× =
32.3 ×10k = 323 кОм.
×
С,
вычислим С.
=
=
30 нФ.
= K
× =
32.3 ×10k = 323 кОм
+
x
+
x
=
=
0,6
В
8,4
В
20
мА
20
пФ
50
нс
1%В.
Ток нагрузки 78.14 мА. Входное переменное напряжение 220 10%В.
Допустимый уровень пульсаций выходного напряжения 70 мВ, Коэффициент
температуры по напряжению 0.5mВ/К.
= 
=
=
271.31
В
= 
+
+
⋅
= 106+3+0.07⋅10 = 109.7 В
= 
=
121.89 В
≈ 
=
121.89 0. 078 = 9.51 Вт
= =
106 0.078 = 8.268 Вт
=
=
0.87 или ɳ = 87 %
А
> 1.1 -
=
1.1 121.89 - 106 = 28.079 В
Вт
мА
=
=
566 Ом
= 
=
=26.45
мА
= 
=
=25.32
мА
=
=
5150 Ом
= 26.45 мА
= 
=
106-3=103 В
= 116.6 
=816.2
мВт
=
=
45.42 Ом
= 
=
=
0.42 Вт
=
=
=
=
2.05 Вт
= 
=
=
0.12 Вт 
= 
=
=
0.06 Вт
= 
=
0.2
= 
+
2 0.7 = 151.94 В
= 
=
1.45
= 
=
195 мкФ
=
195
мкФ
А
