406

Разработка электронного устройства на примере RC-генератора

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Назначение и виды генераторов. Схема трёхзвенной RC-цепи. Генераторы синусоидальных колебаний. Режимы самовозбуждения. Автоматическое смещение с помощью базового делителя. Мощные усилительные каскады. Выбор электрической схемы электронного устройства и её описание.

Русский

2013-01-06

1.72 MB

201 чел.

  1.  ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Назначение и виды генераторов.

Электронным генератором сигналов называют устройство, посредством которого энергия сторонних источников питания преобразуется в электрические колебания требуемой формы, частоты и мощности. Электронные генераторы входят составной частью во многие электронные приборы и системы. Так, например, генераторы гармонических или других форм колебаний используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, в различных технологических установках и др. В телевизорах генераторы строчной и кадровой разверток используются для формирования светящегося экрана.

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи и др. По назначению генераторы делят на технологические, измерительные, медицинские, связные. По форме колебаний их делят на генераторы гармонических и негармонических (импульсных) сигналов.

По выходной мощности генератора делят на маломощные (менее 1 Вт), средней мощности (ниже 100 Вт) и мощные (свыше 100 Вт). По частоте генераторы можно разделить на следующие группы: инфранизкочастотные (менее 10Гц), низкочастотные (от 10Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100МГц) и сверхвысокочастотные (выше 100МГц).

По используемым активным элементам генераторы делят на ламповые, транзисторные, на операционных усилителях, на туннельных диодах, или динисторах, а по типу частотно-избирательных цепей обратной связи — на генераторы LC-, RC- и ^L-типа. Кроме того, обратная связь в генераторах может быть внешней или внутренней.

1.2 Генераторы синусоидальных колебаний

Данная группа генераторов предназначена для получения колебаний синусоидальной формы требуемой частоты. Их работа основана на принципе самовозбуждения усилителя ,охваченного положительной обратной связью (рисунок 1). Коэффициент усиления и коэффициент передачи звена обратной связи приняты комплексными, т.е. учитывается их зависимость от частоты. При этом входным сигналом для усилителя в схеме рис.1.1 является часть его выходного напряжения , передаваемого звеном обратной связи

Рисунок 1. Структурная схема генератора

Для возбуждения колебаний в системе рисунок 1 необходимо выполнение двух условий:

  •  первое состоит в обеспечении баланса фаз, которое заключается в том, чтобы фазовые сдвиги, создаваемые усилителем () и звеном обратной связи () , в сумме должны быть кратными : 2π

  •  Второе условие , необходимое для возникновения генерации, это условие баланса амплитуд  , которое вытекает из общей формулы для усилителя, охваченного положительной обратной связью:

1.3 Режимы самовозбуждения генератора

Мягкий режим.

Если рабочая точка находится на участке характеристики iK(uБЭ) с наибольшей крутизной, то режим самовозбуждения называется мягким.

Проследим за изменениями амплитуды тока первой гармоники в зависимости от величины коэффициента обратной связи КОС. Изменение КОС приводит к изменению угла наклона a прямой обратной связи (рис.2)

       а)         б)

Рисунок 2. Мягкий режим самовозбуждения

При КОС = КОС1 состояние покоя устойчиво и генератор не возбуждается, амплитуда колебаний равна нулю (рис. 2 б). Величина КОС = КОС2 = ККР является граничной (критической) между устойчивостью и неустойчивостью состояния покоя. При КОС = КОС3 > ККР состояние покоя неустойчиво, генератор возбудится, и величина Im1 установится соответствующей точке А. При увеличении КОС величина первой гармоники выходного тока будет плавно расти и при КОС = КОС4 установится в точке Б. При уменьшении КОС амплитуда колебаний будет уменьшаться по той же кривой и колебания сорвутся при коэффициенте обратной связи КОС = КОС2 < ККР.

В качестве выводов можно отметить следующие особенности мягкого режима самовозбуждения:

  •  для возбуждения не требуется большой величины коэффициента обратной связи КОС;
  •  возбуждение и срыв колебаний происходят при одном и том же значении коэффициента обратной связи ККР;
  •  возможна плавная регулировка амплитуды стационарных колебаний путем изменения величины коэффициента обратной связи КОС;
  •  как недостаток следует отметить большое значение постоянной составляющей коллекторного тока, что приводит к малому значению КПД.

Жесткий режим.

Если рабочая точка находится на участке характеристики iK = f (uБЭ) с малой крутизной S < SMAX, то режим самовозбуждения называется жестким.

  а)          б)

Рисунок 3.  Жесткий режим самовозбуждения

Возбуждение автогенератора произойдет, когда коэффициент обратной связи превысит величину КОС3 = КОСКР. Дальнейшее увеличение КОС приводит к небольшому увеличению амплитуды первой гармоники выходного (коллекторного) тока Im1 по пути В-Г-Д. Уменьшение КОС до КОС1 не приводит к срыву колебаний, так как точки В и Б устойчивы, а точка А устойчива справа. Колебания срываются в точке А, т. е. при КОС < КОС1, так как точка А неустойчива слева.

Таким образом, можно отметить следующие особенности работы генератора при жестком режиме самовозбуждения:

  •  для самовозбуждения требуется большая величина коэффициента обратной связи КОС;
  •  возбуждение и срыв колебаний происходят ступенчато при разных значениях коэффициента обратной связи КОС;
  •  амплитуда стационарных колебаний в больших пределах изменяться не может;
  •  постоянная составляющая коллекторного тока меньше, чем в мягком режиме, следовательно, значительно выше КПД.

Сравнивая положительные и отрицательные стороны рассмотренных режимов самовозбуждения, приходим к общему выводу: надежное самовозбуждение генератора обеспечивает мягкий режим, а экономичную работу, высокий КПД и более стабильную амплитуду колебаний – жесткий режим.

Стремление объединить эти преимущества привело к идее использования автоматического смещения, когда генератор возбуждается при мягком режиме самовозбуждения, а его работа происходит в жестком режиме. Сущность автоматического смещения рассмотрена ниже.

Автоматическое смещение.

Сущность режима заключается в том, что для обеспечения возбуждения автогенератора в мягком режиме исходное положение рабочей точки выбирается на линейном участке проходной характеристики с максимальной крутизной. Эквивалентное сопротивление контура выбирается таким, чтобы выполнялись условия самовозбуждения. В процессе нарастания амплитуды колебаний режим по постоянному току автоматически изменяется и в стационарном состоянии устанавливается режим работы с отсечкой выходного тока (тока коллектора), т. е. автогенератор работает в жестком режиме самовозбуждения на участке проходной характеристики с малой крутизной (рис. 4).

Рисунок 4. Принцип автоматического смещения автогенератора

Напряжение автоматического смещения получают обычно за счет тока базы путем включения в цепь базы цепочки RБCБ (рис. 5).

Рисунок 5. Схема автоматического смещения за счет тока базы

Начальное напряжение смещения обеспечивается источником напряжения ЕБ. При возрастании амплитуды колебаний увеличивается напряжение на резисторе RБ, создаваемое постоянной составляющей базового тока IБ0. Результирующее напряжение смещения (ЕБ - IБ0RБ) при этом уменьшается, стремясь к ЕБСТ.

В практических схемах начальное напряжение смещения обеспечивается с помощью базового делителя RБ1, RБ2 (рис. 6).

Рисунок 6. Автоматическое смещение с помощью базового делителя

В этой схеме начальное напряжение смещения

ЕБ.НАЧ.К-(IД+IБ0)RБ2,

где IДК/(RБ1+RБ2)  – ток делителя.

При возрастании амплитуды колебаний постоянная составляющая тока базы IБ 0 увеличивается и смещение ЕБ уменьшается по величине, достигая значения ЕБСТ в установившемся режиме. Конденсатор СБ предотвращает короткое замыкание резистора RБ1 по постоянному току.

Следует отметить, что введение в схему генератора цепи автоматического смещения может привести к явлению прерывистой генерации. Причиной ее возникновения является запаздывание напряжения автоматического смещения относительно нарастания амплитуды колебаний. При большой постоянной времени t = RБСБ (рис. 8.41) колебания быстро нарастают, а смещение остается практически неизменным – ЕБ.НАЧ. Далее смещение начинает изменяться и может оказаться меньше той критической величины, при которой еще выполняются условия стационарности, и колебания сорвутся. После срыва колебаний емкость СБ будет медленно разряжаться через RБ и смещение вновь будет стремиться к ЕБ.НАЧ. Как только крутизна станет достаточно большой, генератор снова возбудится. Далее процессы будут повторяться. Таким образом, колебания периодически будут возникать и снова срываться.

Прерывистые колебания, как правило, относятся к нежелательным явлениям. Поэтому очень важно расчет элементов цепи автоматического смещения проводить так, чтобы исключить возможность возникновения прерывистой генерации.

Для исключения прерывистой генерации в схеме (рис. 4) величину CБ выбирают из равенства

Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Рассмотрим упрощенную схему транзисторного автогенератора гармонических колебаний с трансформаторной обратной связью (рис. 7).

Рисунок 7. Автогенератор с трансформаторной обратной связью

Назначение элементов схемы:

  •  транзистор VT p-n-p типа, выполняет роль усилительного нелинейного элемента;
  •  колебательный контур LKCKGЭ задает частоту колебаний генератора и обеспечивает их гармоническую форму, вещественная проводимость GЭ характеризует потери энергии в самом контуре и во внешней нагрузке, связанной с контуром;
  •  катушка LБ обеспечивает положительную обратную связь между коллекторной (выходной) и базовой (входной) цепями, она индуктивно связана с катушкой контура LК (коэффициент взаимоиндукции М);
  •  источники питания ЕБ и ЕК обеспечивают необходимые постоянные напряжения на переходах транзистора для обеспечения активного режима его работы;
  •  конденсатор СР разделяет генератор и его нагрузку по постоянному току;
  •  блокировочные конденсаторы СБ1 и СБ2 шунтируют источники питания по переменному току, исключая бесполезные потери энергии на их внутренних сопротивлениях.

1.3 Типы генераторов

В зависимости от того, каким способом в генераторе обеспечивается условие баланса фаз и амплитуд, различают генераторы:

  1.  LC-генераторы, использующие в качестве частотно-зависимой цепи колебательный контур. Время задающим параметром в них является период собственных колебаний колебательного контура;
  2.  RC-генераторы, у которых частотно-зависимые цепи обратной связи представляют собой сочетание элементов R и С (мост Вина, двойной T-образный мост, сдвигающие RC-цепи др.). Время задающим параметром здесь служит время заряда, разряда или перезаряда конденсатора;
  3.  генераторы с электромеханическими резонаторами (кварцевыми, магнитострикционными), в которых времязадающим параметром является период собственных колебаний резонирующего элемента.

1.3.1 RC-генераторы

RC-генераторы основаны на использовании частотно-избирательных RC-цепей и выполняются по структурной схеме, приведенной на рис.1.

Различают RC-генераторы с фазосдвигающими и мостовыми RC-цепями.

1.3.2 Схема трёхзвенной RC-цепи

RC-генераторы с фазосдвигающей цепью представляют собой усилитель с поворотом фазы на 180°, в котором для выполнения условия баланса фаз  включена цепь обратной связи, изменяющая на частоте генерации фазу выходного сигнала также на 180°. В качестве фазосдвигающей цепи обратной связи обычно используются трехзвенные RC-цепи (реже четырехзвенные). Схема такой цепи приведена на рис.8.

Рисунок 8. Схема трёхзвенной RC-цепи

Фазосдвигающая цепь существенно уменьшает сигнал обратной связи, поступающий на вход усилителя. Поэтому для трехзвенных RC-цепей коэффициент усиления усилителя должен быть не менее 29. Тогда будет выполнено также второе условие возникновения колебаний - условие баланса амплитуд.

При одинаковых сопротивлениях резисторов R и емкостей конденсаторов C колебаний генератора с фазосдвигающей цепью определяется формуле:

Для изменения частоты колебаний достаточно изменить сопротивление или емкость в фазосдвигающей RC-цепи.

1.3.3 Мост Вина

Из мостовых частотно-избирательных RC-цепей наибольшее распространение получил мост Вина (рис.9.).

Рисунок 9. Мост Вина

Условие баланса фаз обеспечивается здесь при одной частоте, на которой выходной сигнал моста совпадает по фазе с входным.

Частота генерации равна частоте настройки моста и определяется соотношением:

Регулировка частоты в генераторе с мостом Вина проста и удобна, причем возможна в широком диапазоне частот. Ее осуществляют с помощью сдвоенного конденсатора переменной емкости или сдвоенного переменного резистора, включенного в схему вместо постоянных конденсаторов C или резисторов R.

Так как коэффициент передачи моста Вина на частоте генерации составляет 1/3, то коэффициент усиления усилителя должен быть равен 3. Тогда в генераторе с мостом Вина возникает устойчивая генерация.

1.3.4 Схема двойного Т-образного моста

Кроме того, в RC-генераторах находит также применение двойной Т-образный мост (рис.10).

Рисунок 10. Схема двойного Т-образного моста

Для стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора используются различные нелинейные элементы: терморезисторы, фоторезисторы, лампы накаливания, диоды, светодиоды, стабилитроны, полевые транзисторы и др. Применяют также строго регулируемую обратную связь.

RC-генераторы характеризуются хорошей стабильностью, легко перестраиваются и позволяют получать колебания с очень низкими частотами (от долей герц до нескольких килогерц). Стабильность частоты колебаний. RC-генераторов в большей степени зависит от качества R и С элементов, чем от структуры частотно-избирательной цепи и характеристик усилителя.          Наилучшими показателями обладают RC-генераторы, в которых осуществляется дополнительная стабилизация частоты колебаний с помощью кварцевых резонаторов.

1.3.6 Схема генератора с мостом Вина на ОУ

На рисунке 6 показана схема с мостом Вина, одно плечо которого образовано резистивным делителем напряжения , , а другое – дифференцирующей ,  и интегрирующей ,  цепями. Коэффициент передачи с выхода фазозадающей цепи , , ,  на неинвертирующий вход ОУ на резонансной частоте равен 1/3. Для выполнения баланса амплитуд коэффициент передачи усилителя с выхода на неинвентирующий вход должен быть равен трем, т. е. необходимо выполнить условие =. Для выполнения баланса фаз постоянная времени дифференцирующей цепи должна быть равна постоянной времени интегрирующей цепи, т. е. =.

Для улучшения самовозбуждения, стабилизации амплитуды колебаний и уменьшения нелинейных искажений в схеме необходимо использовать усилитель с регулируемым коэффициентом передачи или на выходе ОУ включить нелинейный ограничитель напряжения.

Рисунок 11. Схема генератора с мостом Вина на ОУ

1.4 Генератор LC-типа

Такой генератор строят на основе усилительного каскада на транзисторе, включая в его коллекторную цепь колебательный LC-контур. Для создания ПОС используется трансформаторная связь между обмотками W1(имеющей индуктивность L) и W2 (рис. 12).

Рисунок 12. Генератор LC-типа

1.5 Мощные усилительные каскады.

Под мощным каскадом понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка  и мощность  рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков - сотен Вт. Поэтому мощные каскады, которые, как правило, бывают выходными, рассчитывают по заданным значениям  и . Чтобы оценить, какую мощность должен давать каскад предварительного усиления, приходится оценивать коэффициент усиления каскада по мощности .

Мощный выходной каскад является главным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений и занимает объем, соизмеримый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получения наибольшего КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

Выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными. Активные приборы в усилителях мощности могут работать в режимах A, B или AB. Для создания мощных выходных каскадов используют схемы с ОЭ, ОБ и ОК.

В однотактных выходных каскадах активные приборы работают в режиме A. При их создании используют три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые обеспечивают получение максимального коэффициента усиления по мощности, но существенно ухудшают его частотные характеристики.

Бестрансформаторные выходные каскады получили преимущественное распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов; имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики; легко могут быть выполнены по интегральной технологии. Кроме того, в связи с отсутствием частотно-зависимых элементов в цепях связи между каскадами можно вводить глубокие общие отрицательные ОС как по переменному, так и по постоянному токам, что существенно улучшает характеристики преобразования всего устройства. При этом обеспечение устойчивости усилительного устройства может быть достигнуто введением простейших корректирующих цепей.

Бестрансформаторные мощные выходные каскады собирают в основном по двухтактным схемам на транзисторах, работающих в режиме B или АВ и включенных по схемам с ОК или ОЭ. В этих схемах возможно сочетание в одном каскаде либо одинаковых транзисторов, либо транзисторов с разным типом электропроводности. Каскады, в которых использованы транзисторы с разным типом электропроводности (p-n-p и n-p-n), называются каскады с дополнительной симметрией.

По способу подключения нагрузки различают две разновидности схем: спитанием от одного источника и с питанием от двух источников.

1.6 Классификация выходных усилителей мощности

Рассмотрю классификацию усилителей по режиму работы, т. е. по величине тока, протекающего через транзисторы усилителя в отсутствие сигнала.

1.6.1 Усилители класса А

Усилители класса А работают без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики усилительных элементов. Это обеспечивает минимум нелинейных искажений (THD и IMD), причем как на номинальной мощности, так и на малых мощностях.

За этот минимум приходится расплачиваться внушительными потребляемой мощностью, размерами и массой. В среднем КПД усилителя класса А составляет 15-30%, а потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности. Мощность рассеяния максимальна при малых сигналах на выходе.

1.6.2 Усилители класса В

Если изменить смещение эмиттерного перехода так, что рабочая точка совпадает с точкой отсечки, то мы получим режим усиления класса В. Для этого на базу транзистора типа n-p-n нужно подать более отрицательное напряжение, чем в режиме класса А (для транзисторов типа p-n-p режим класса В обеспечивается подачей на базу более положительного напряжения, чем в режиме класса А). В любом случае для режима класса B прямое смещение эмиттерного перехода уменьшается и транзистор запирается.

Если усилительный каскад класса B включает лишь один транзистор, нелинейные искажения сигнала будут значительными. Это объясняется тем, что результирующий коллекторный ток по форме повторяет лишь положительную полуволну входного сигнала, а не весь сигнал, так как для отрицательной полуволны транзистор остается запертым. Для воссоздания на выходе сигнала, полностью сходного по форме с входным сигналом, можно использовать два транзистора (по одному на каждую полуволну входного сигнала), комбинируя их по так называемой двухтактной схеме.

Амплитуда напряжения выходного сигнала несколько меньше величины напряжения источника питания. Поскольку в режиме класса B ток протекает через транзистор лишь полпериода, появляется возможность увеличить вдвое (по сравнению с режимом класса А) коллекторный ток при той же средней мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора.

Амплитуда выходного напряжения усилителя класса B равна двойной амплитуде выходного напряжения усилителя класса A. Таким образом, двухтактный транзисторный каскад в режиме класса B позволяет получить выходное напряжение, вдвое большее, чем в режиме класса А.

1.6.3 Усилители класса АВ

Как следует из названия усилители класса АВ – это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений. Для того чтобы избавиться от ступенчатого перехода при переключении усилительных элементов используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток покоя, иногда значительный. Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения.

Класс AB является наиболее экономичным для УНЧ, поскольку в этом случае усилитель потребляет от источника питания минимальный ток. Это объясняется тем, что в рабочей точке транзисторы заперты и коллекторный ток протекает лишь при поступлении входного сигнала. Однако, усилители класса B искажают форму сигнала.

В реальном усилителе класса B транзистор при очень малых уровнях входного сигнала остается запертым (так как вблизи отсечки транзистор имеет весьма малый коэффициент усиления тока) и резко открывается с увеличением сигнала.

Нелинейные искажения можно уменьшить, если вместо режима класса B использовать класс АВ (или что то среднее между В и АВ). Для этого транзистор несколько отпирают, так чтобы в рабочей точке в коллекторной цепи протекал небольшой ток. Класс АВ менее экономичен, чем класс B, так как потребляется большим ток от источника питания. Обычно класс АВ используют лишь в двухтактных схемах.

1.6.4 Усилители класса С

Режим класса C получают смещением транзистора в обратном направлении, значительно левее точки отсечки. Часть входного сигнала затрачивается для обеспечения прямого смещения эмиттерного перехода. В результате коллекторный ток протекает в течение лишь части одного полупериода входного напряжения. Отрицательная полуволна входного напряжения лежит в области глубокой отсечки транзистора. Так как коллекторный ток протекает лишь в течение некоторой части положительного полупериода, то длительность импульса коллекторного тока существенно меньше полупериода входного сигнала

Очевидно, форма выходного сигнала отличается от входного и она не может быть восстановлена теми методами, которые используются в двухтактных усилителях классов B и АВ. По этой причине режим класса C применяется только тогда, когда искажения сигнала не имеют значения. Как правило, режим работы класса C используется в высокочастотных усилителях и не находит применения в УНЧ.

1.7 Схемотехнические решения мощных усилительных каскадов.

Усилители мощности на транзисторах одной проводимости.

При питании каскада от двух источников , и , имеющих общую точку, нагрузка включается между точкой соединения эмиттера и коллектора транзисторов ,  и общей точкой источников питания. Режим работы транзисторов обеспечивается делителями , ,  и . Управление транзисторами осуществляется противофазными входными сигналами и , для получения которых предыдущий каскад должен быть фазоинверсным.

Принцип работы каскада по схеме рисунок 13 состоит в поочередном усилении полуволн входного сигнала. Если в первом такте отрицательную полуволну усиливает транзистор , при этом транзистор  заперт положительной полуволной, то во втором такте вторая полуволна сигнала усиливается транзистором   при закрытом транзисторе .

При питании каскада от одного источника , (рис. 14) нагрузка подключается через разделительный электролитический конденсатор  достаточно большой емкости, а в остальном схема аналогична предыдущей.

Рисунок 13. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости

Принцип работы схемы заключается в следующем. При отсутствии  и  конденсатор  заряжен до напряжения . Именно при таком напряжении на конденсаторе наступает режим покоя. В такте работы (открытого состояния) , по нагрузке  течет ток , который дозаряжает конденсатор . В такте работы , конденсатор разряжается, и по нагрузке  течет ток . Таким образом, на  нагрузке реализуется биполярный  сигнал.

В рассмотренных схемах транзисторы , и  имеют разное включение:  - по схеме OK, а - по схеме ОЭ. Поскольку при этих двух схемах включения транзисторы имеют различные коэффициенты усиления по напряжению, то без принятия дополнительных мер получается асимметрия выходного сигнала. Уменьшения асимметрии сигнала, в частности, можно достичь соответствующим выбором коэффициентов усиления по двум выходам предыдущего фазоинверсного каскада. Можно уменьшить асимметрию и применением отрицательной обратной связи, охватывающей выходной и предвыходной каскады.

Рисунок 14. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах одной проводимости c однополярным питанием

Усилители мощности на транзисторах разной проводимости, включенных по схеме с ОК.


Рисунок 15. Выходной каскад усилителя мощности на транзисторах разной проводимости

На рис. 15 изображена схема каскада с питанием от двух источников (возможна реализация схемы с однополярным питанием). При использовании в этой схеме комплементарных пар транзисторов типов n-p-n и p-n-p отпадает необходимость в подаче двух противофазных входных сигналов. При положительной полуволне сигнала открыт транзистор  и закрыт , при отрицательной полуволне, наоборот, открыт  и закрыт . В остальном работа схемы рис. 15 аналогична работе соответствующих схем рис. 14 и рис. 13. Отличительной особенностью рассмотренных схем является то, что коэффициент усиления каскада по напряжению всегда меньше 1, а выходной сигнал имеет  меньшую асимметрию, так как оба транзистора включены по одинаковой схеме с ОК.

Для того что бы усилитель мощности перевести в режим АВ для снижения нелинейных искажения, базы разделяют между собой парой диодов, которые  обеспечивают смещение для транзисторов, при котором в них течёт ток в режиме покоя (рис 16).

Рисунок 16. Выходной каскад усилителя мощности в режиме АВ

На рисунке 17 приведена схема бестрансформаторного усилителя мощности с двухтактным выходным каскадом на МДП – транзисторах с индуцированными каналами типа n (VT2) и типа p (VT3). Подложка обычно соединяется с истоком внутри мощных МДП – транзисторов. Полевые транзисторы вносят меньше нелинейных искажений и не подвержены тепловой неустойчивости. Пороговое напряжение стокозатворной характеристики современных мощных МДП – транзисторов с индуцированным каналом близко к нулю. Недостатком их являются повышенное остаточное напряжение и производственный разброс параметров, однако по мере совершенствования технологии они уменьшаются.

Рисунок 17. Выходной каскад усилителя мощности в режиме АВ на ПТ

  1.  Выбор электрической схемы электронного устройства и её описание

Схема состоит их двух каскадов: первый каскад RC-генератор на мосте Вина, второй каскад – усилитель мощности класса АB.

Мост Вина подключён к неинвертирующему входу ОУ.

Пусть , тогда частота сигнала будет определятся по формуле:

Для того что бы в генераторе с мостом Вина установились колебания, усилитель должен иметь коэффициент усиления больше 3. Коэффициент усиления задаётся резисторами . Следовательно, должно выполнятся условие:

Диоды включённые параллельно  служат для стабилизации амплитуды генерируемых сигналов (т.е вводят симметричную нелинейную обратную связь).

Достоинства RC-генератора с мостом Вина:

  •  обладает достаточно хорошей стабильностью частоты;
  •  может давать очень малые искажения;
  •  легко перестраивается (обычно перестройка частоты выходного сигнала осуществляется применением в качестве резисторов   сдвоенного потенциометра и переключением пар конденсаторов для различных диапазонов частот).

Основным недостатком является то, что выходное напряжение достигает напряжения шин питания, что вызывает насыщение выходных транзисторов ОУ и создаёт значительные искажения.

Второй каскад – двухтактный бестрансформаторный каскад с полевыми МДП - транзисторами разных типов проводимостей.

МДП – транзистор VT1 обладает n-типом проводимости, а транзистор VT2 – р - типом. Если между затворами и истоками транзисторов будет подано напряжение положительной полярности, то транзистор VT2 будет закрыт, а транзистор VT1 будет открыт, и ток потечёт по цепи от плюса источника питания E1 сток-исток транзистора VT1, по нагрузке, к отрицательному полюсу источника питания E1. А если будет подано напряжение затвор-исток отрицательной полярности, то транзистор VT1 будет закрыт, а транзистор VT2 будет открыт, и ток потечёт по цепи от плюса источника питания E2 по нагрузке, исток-сток транзистора VT2, к отрицательному полюсу источника питания E2. Поступление на вход сигнала с напряжением то положительной, то отрицательной полярностей приводит то к запиранию одного транзистора и отпиранию другого, то наоборот. Другими словами транзисторы функционируют в противофазе. Транзисторы VT1 и VT2 выбирают так, чтобы их параметры и характеристики в рабочей области были как можно более близкими.

Достоинства:

возможно получение высокого КПД, при правильном выборе транзисторов нелинейные искажения малы;

каскад развивает большую максимальную выходную мощность, по сравнению с однотактным каскадом с таким же транзистором;

из-за отсутствия трансформаторов нет жестких ограничений на частотный диапазон усиливаемых сигналов;

кроме того, без громоздких и тяжелых трансформаторов получают малые массу, габариты и низкую стоимость устройства.

Недостатки:

необходимость тщательного выбора транзисторов и стремительное их разрушение при перегрузке выходного каскада, в случае, если в нём не предусмотрена система защиты по току.

Рисунок 18. RC-генератор с мощным выходным каскадом


  1.  РАСЧЁТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

3.1 Расчет усилителя мощности

Для подбора транзисторов нужно рассчитать следующие параметры:

где  - амплитудное значение напряжения на сопротивлении нагрузки ;

- амплитудное значение тока на сопротивлении нагрузки ;

- мощность на нагрузке.

Напряжение источника питания одной половины выходного каскада при биполярном питании определяется исходя из амплитуды выходного сигнала, при этом величина напряжение  выбирается минимум на n В больше , поскольку нужно учитывать остаточное напряжение, а у полевых транзисторов оно может достигать единицы вольт:

Максимальная мощность,  рассеиваемая одним транзистором определяется:

На основании рассчитанных выше значений подберём из справочной литературы транзисторы выходного каскада:

Таблица 3.1 Параметры транзисторов

Транзистор

2SK1058 (n-канальный)

160

7

400

100

2SJ162 (p-канальный)

-160

7

410

100

Так как транзисторы являются комплементарными, то достаточно рассчитать одно плечо усилителя.

Коэффициент усиления для полевого транзистора:

где ,

      S – крутизна, характеризующая управляющее действие затвора.

Рассмотрим плечо, содержащее транзистор 2SK1058:

Для него

Следовательно,

C другой стороны коэффициент усиления по напряжению:

Откуда:

где ,


3.2 Расчёт генератора синусоидальных колебаний 

Рассчитаем частоту генерируемых колебании.

Пусть сопротивление резисторов , выразим из формулы значение ёмкости конденсаторов:

После тестовых испытаний при конденсаторе ёмкостью , частота генерации колебаний не соответствует расчётным значениям, поэтому выбираем ёмкость конденсаторов ).

Сопротивление суммы резисторов  должно быть примерно в 2,2 раз выше, чем сопротивление резистора . Пусть , тогда сопротивление  

Поскольку амплитуду выходного сигнала сложно подобрать, будет разумным использовать построечный резистор на месте .

Определим амплитуду выходного напряжения.

Падение напряжения на диоде приблизительно 0,6 В. Следовательно, ток протекающий через резистор  можем найти из формулы:

Ток протекающий через резистор  будет равен :

Ток через резистор  будет равен току через резистор .

Следовательно, выходная амплитуда будет находиться по формуле:

Подберём операционный усилитель, удовлетворяющий нашим параметрам. Источник питания у ОУ дожжен быть больше  , поэтому будем питать операционный усилитель от источника питания  12 В

Операционный усилитель LM741A.

Параметры:

  •  коэффициент усиления по напряжению - ,
  •  входное сопротивление - ,
  •  выходное сопротивление -
  •  выходное напряжение смещения - ,
  •  входной ток - ,
  •  потребляемый ток - ,
  •  разность входных токов -
  •  ослабления синфазного сигнала (дБ) - ,
  •  максимальная амплитуда выходного сигнала - ,
  •  частота единичного усиления - ,
  •  Диапазон напряжений питания .

В цепи генератора не могут протекать токи, выше потребляемого тока операционным усилителем:

Следовательно, резистор  выберем мощности 0,250 Вт, а остальные по 0,125 Вт.

Таблица 3.3 Параметры диодов КД521А

Диод

КД521А

75

0,05

1

  1.  ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА

Испытание устройства проведём в программном пакете MicroCap 7.

Испытание электронного устройства проведём в следующем порядке:

  •  соберём электронное устройство в MicroCap.
  •  измерим выходное напряжение,
  •  измерим выходной ток,
  •  определим частоту сигнала,
  •  определим мощность на нагрузке,
  •  сравним с условиями технического задания,
  •  сделаем вывод.

Схема подключения осциллографа:

Рисунок 4.1 Схема испытаний RC-генератора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсовой работы была рассмотрена методика разработки электронного устройства на примере RC-генератора с мостом Вина и мощным выходным каскадом. Полученное устройство удовлетворяет всем условиям технического задания.

Данное устройство может быть использовано как, RC-генератор с мощным выходным каскадом, частотой генерации   мощность выходного каскада , сопротивление нагрузки .


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64072. Улаштування однорівневої підвісної стелі. Монтаж вимикачів, розеток, відкритих та схованих електропроводок 3.08 MB
  Для передачі й розподілу електричної енергії використовуються повітряні лінії електропередач кабельні лінії в цехах промислових підприємств – шинопроводи та електропроводки які виконують з металевих проводів із алюмінію сталі та міді. Інструменти для виконання робіт Набір паяльників для паяння жил проводів і кабелів.
64073. РОЛЬ ЗАДАЧ В УСИЛЕНИИ ПРИКЛАДНОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ ШКОЛЬНОГО КУРСА ИНФОРМАТИКА И ИКТ 952.5 KB
  Прикладная направленность школьного курса информатики и пути ее реализации. Такое широкое использование информатики в различных сферах жизни человека подчеркивает важность изучения в школе именно прикладных аспектов этой науки.
64074. Двигатель внутреннего сгорания 249 KB
  Особенностью тепловых двигателей этого типа является то что процесс сгорания топливовоздушной смеси и преобразование тепловой энергии в механическую происходят непосредственно в цилиндре двигателя. Первыми двигателями внутреннего сгорания работавшими на газовом топливе были двухтактные двигатели...
64075. ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ЗАСОБІВ ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ІНЖЕНЕРНОЇ КОМП’ЮТЕРНОЇ ГРАФІКИ 1.12 MB
  Автоматизоване проектування — проектування, при якому окремі перетворення об'єкта й (або) алгоритму його функціонування або алгоритму процесу, а також описи різноманітними мовами здійснюються взаємодією людини та комп'ютера.