3_Variant


1956435-12636500
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА»
Факультет электроники и приборостроения
Кафедра радиотехники
Пояснительная записка
к курсовой работе по дисциплине:
«Схемотехника»
Вариант 3
Выполнил: студент гр. 5306
Бень С.А.
Проверил: Малыгин Н. А.
Самара
2017
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
Разработать схему и провести расчет мощного корректирующего усилителя, обеспечивающего заданную АЧХ (рис. 1) и параметры.
Провести оптимизацию схемы с помощью ПК.
К
К0К2К1f1
f2
f3
f4
fвlg f
К
К0К2К1f1
f2
f3
f4
fвlg f

Рисунок 1 – АЧХ корректирующего мощного усилителя
Крутизна спадов и подъемов АЧХ составляет 6 дБ/октава (20 дБ/декада).
Заданные параметры усилителя:
коэффициент усиления К0 = 300;
коэффициент усиления К1 = 70;
коэффициент усиления К2 = 200;
частота f1 = 30 Гц;
частота f2 = 160 Гц;
частота f3 = 3 кГц;
частота f4 = 7.5 кГц;
частота fв = 25 кГц;
сопротивление нагрузки Rн = 8 Ом;
мощность Pн = 10 Вт;
усилитель мощности класса А.

РЕФЕРАТ
Курсовая работа.
Пояснительная записка: с. 22, рис. 9, источников 5.
КОРРЕКТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ, РЕЖИМ РАБОТЫ, ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, КОРРЕКЦИЯ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ТРАНЗИСТОР, АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
Осуществлена разработка и оптимизация корректирующего мощного усилителя на основе операционных усилителей. Проведено моделирование и оптимизация схемы на ЭВМ в программе Electronics Workbench принципиальной схемы устройства.
Перечень условных обозначений и сокращений
ОУ – операционный усилитель;
УМ – усилитель мощности;
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика;
ШИМ – широтно-импульсная модуляция;
ООС – отрицательная обратная связь.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………………………...5
1. Разработка схемы корректирующего усилителя……………………………..6
1.1 Анализ задания и разработка функциональной схемы устройства…6
1.2 Разработка принципиальной схемы корректирующей части……….7
1.3 Разработка принципиальной схемы усилителя мощности… ……....9
1.4 Принципиальная схема мощного корректирующего усилителя…..11
2 Расчет параметров схемы……………………………………………………..13
2.1 Предварительный расчет корректирующей части………………….13
2.2 Предварительный расчет усилителя мощности…………………….16
3 Моделирование и оптимизация схемы с помощью ПК……………………..17
3.1Моделирование схемы на ПК…………………………………………17
3.2 Оптимизация схемы…………………………………………………..19
Заключение……………………………………………………………………….20
Список использованной литературы…………………………………………...21
Приложение А …………………………………………………………………...22

ВВЕДЕНИЕ
Развитие аналоговой электроники и широкое применение её изделий в промышленном производстве, в различных радиотехнических устройствах является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса. Практически трудно назвать те радиотехнические устройства, в которых не использовались бы усилители.
В данной работе рассматривается проектирование корректирующего мощного усилителя, составленного из наиболее простых узлов. Анализируется влияние этих узлов на форму частотной характеристики. Цель такого упрощения — анализ степени влияния отдельных узлов на основные характеристики и выявление недостатков, присущих узлам при их упрощениях, которые могут быть устранены определёнными изменениями схемы.
В данной работе разработана принципиальная электрическая схема корректирующего мощного усилителя на базе операционных усилителей.
1. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ
1.1 Анализ задания и разработка функциональной схемы устройства
Корректирующий мощный усилитель предназначен для работы в устройствах самого различного назначения и в соответствии с заданием должен обеспечивать:
—коэффициент передачи на первом (самом низкочастотном) равномерном участке частотной характеристики H0 = 20*lg(K0) = 20*lg(300) = 50 дБ;
—падение первого наклонного участка частотной характеристики с крутизной 20 дБ/декаду;
—коэффициент передачи на втором равномерном участке частотной характеристики H1 = 20*lg(70) = 38 дБ
—начальная и конечная частоты (точки перегиба) первого наклонного участка частотной характеристики f1 = 30 Гц;
Частота f2 рассчитываем из условия, что крутизна спада составляет 20дБ/декаду, коэффициент передачи (выраженный в дБ) на этой частоте
H1 = 38 дБ, а на частоте f1 тогда
;
подъем второго наклонного участка частотной характеристики с крутизной 20 дБ/декаду;
коэффициент передачи на третьем равномерном участке частотной характеристики H2 = 20*lg(200) = 46 дБ;
начальная и конечная частоты второго наклонного участка частотной характеристики;
рассчитываем из условия, что крутизна подъема составляет 20дБ/декаду, коэффициент передачи на этой частоте , а на частоте f3 = 3 кГц, тогда
;
—верхняя частота третьего равномерного участка частотной характеристики
f5 = 25 кГц;
—спад третьего наклонного участка частотной характеристики с крутизной 20дБ/декаду;
—параметры резистивной нагрузки Rн = 8 Ом;
Исходя из анализа технического задания, можно заключить, что в состав корректирующего мощного усилителя должны входить:
—усилитель–корректор;
—усилитель мощности.
1.2 Разработка принципиальной схемы корректирующего усилителя
Необходимость усиления сигнала не позволяет использовать пассивные корректирующие каскады, поэтому остается использовать только активные фильтры.
Под активными фильтрами обычно понимают электронные усилители, содержащие RC-цепи, включенные так, что у усилителя появляются избирательные свойства. Для получения у усилителей избирательных свойств в области низких частот (ниже 30 КГц) преимущественно применяют RC-цепи интегрирующего и дифференцирующего типа. Они включаются на входе или выходе усилителя и охватывают его частотно-зависимой обратной связью.
Любой корректирующий усилитель имеет участки с равномерной частотной характеристикой и участки со спадом и подъемом этой характеристики. АЧХ корректирующего мощного усилителя, которую нужно реализовать в данном курсовом проекте, представлена на рисунке 2. Частоты перегиба (, , , , ) находятся в точках, где характеристика переходит с равномерного участка на наклонный и наоборот. В реальных схемах резко выраженных таких точек нет. Поэтому местоположение точки перегиба определяют там, где частотная характеристика изменилась по отношению к равномерному участку на 3дБ.
Так как по заданию крутизна спадов и подъемов АЧХ корректирующих усилителей должна составлять не более 6 дБ/октаву, то для реализации такой АЧХ в основном используют неинвертирующие усилители с обратной связью на RC– элементах (рисунок 2).

Рисунок 2 – Принципиальная схема неинвертирующего активного корректора
Их преимущество состоит в том, что они позволяют отделить от усилителя источник сигнала, который при этом может быть с низкоомным выходом.
Для реализации характеристик с несколькими наклонными участками используется множество способов. Наиболее часто применяют следующие два из них. Первый – составляются сложные элементы Z1 и Z2, дающие соответствующие частотно-зависимые импедансы для получения заданной АЧХ усилителя. Второй – последовательно соединяются несколько каскадов (рисунок 3), каждый из которых формирует наклон частотной характеристики только на определенном участке, а на других частотах имеет равномерную АЧХ. В данном курсовом проекте будет использоваться второй способ, который более прост для расчетов и оптимизации параметров корректирующего усилителя. При этом усилитель–корректор будет состоять из нескольких узлов, число которых определяется количеством наклонных участков на частотной характеристике.
Для реализации, как подъема, так и спада заданной АЧХ будем использовать неинвертирующие активные фильтры.
Определим схему цепи обратной связи, состоящей из элементов Z1 и Z2. При этом введем кое-какие пояснения, позволяющие понять, по каким критериям осуществляется выбор структуры элементов Z1 и Z2:
для того чтобы частотная характеристика коэффициента передачи была равномерной, элементы Z1 и Z2 должны быть чисто активными;
для того чтобы с увеличением частоты функция, описывающая частотную характеристику, спадала, элемент Z1 должен быть емкостным в параллельной цепи;
для того чтобы с увеличением частоты функция, описывающая частотную характеристику, нарастала, емкость должна быть включена параллельно в Z2;
для того чтобы функция спадала в сторону низких частот, ёмкость должна быть последовательно в Z2.
Исходя из выше сказанного, структура корректирующего усилителя с заданной АЧХ (рисунок 3) будет выглядеть следующим образом.

Рисунок 3 - Принципиальная схема усилителя – корректора
1.3 Разработка принципиальной схемы усилителя мощности
Оконечные каскады усиления мощности в режимах А и B имеют теоретически максимальный КПД 50 и 78.54 % соответственно. Но у реальных усиливаемых колебаний амплитуда редко бывает равна максимальной. Например, звуковой сигнал можно считать квазигармоническим, средняя амплитуда которого около 30 % от максимальной. В этом случае КПД усилителя даже в режиме B составляет лишь 24 %. Обычно усилитель используют не на полную мощность. Так, регулятор громкости усилителей звуковой частоты чаще всего устанавливают на малый уровень. При этом КПД пропорционально снижается. Низок КПД мощных усилителей постоянного тока, применяемых, например, в устройствах автоматики и различных регуляторах.
Повышение КПД усилителей обеспечивает экономию энергии источника питания и уменьшает мощность потерь в транзисторах. Оба эти преимущества взаимно обуславливают друг друга, но ценным является каждое из них. Отсюда, в частности, вытекает повышение надежности, уменьшение общих размеров и материалоемкости усилителя и источника питания.
Для всего усилителя КПД в основном определяется его оконечным каскадом как главным потребителем энергии питания. Основными принципами построения оконечных каскадов с повышенным КПД в настоящее время является применение ключевого или аналого-дискретного режимов работы транзисторов.
В качестве усилителя мощности используется схема двухтактного ключевого каскада. Отличие от однотактного ключевого каскада в том, что в первый полупериод усиливаемого напряжения сигнала поступают только на базу транзистора VT1. Каждая полуволна открывает один транзистор, в результате чего ток протекает от источника питания Еп1 через элементы схемы VT1 и цепь Rn. Во второй полупериод сигнал поступает на базу второго транзистора и плечи как бы меняются ролями.
Режим А — такой режим работы усилительного элемента (транзистора или лампы), в котором при любых допустимых мгновенных значениях входного сигнала (напряжения или тока) ток, протекающий через усилительный элемент, не прерывается. Усилительный элемент не входит в режим отсечки, не отключается от нагрузки, поэтому форма тока через нагрузку более или менее точно повторяет входной сигнал. В частном случае усилителя гармонических колебаний режим А — такой режим, в котором ток через усилительный элемент протекает в течение всего периода, то есть угол проводимости равен 360°
Основная проблема использования биполярных транзисторов в режиме А – температурная зависимость тока покоя. При неизменном напряжении смещения базы – эмиттер коллекторный ток возрастает примерно на 8% на каждый градус температуры. В результате транзистор может перегреться и выйти из строя.

Рисунок 4 – Принципиальная схема усилителя мощности
1.4 Принципиальная схема мощного корректирующего усилителя
Исходя из того, что было сказано выше, изобразим окончательную схему усилителя мощности (рисунок 5).

Рисунок 5 – Принципиальная схема усилителя мощности класса А
2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ
2.1 Предварительный расчет корректирующей части
Общий коэффициент усиления корректирующего усилителя, состоящего из последовательно соединенных звеньев (корректирующих цепей) равен произведению их коэффициентов усиления (если же коэффициенты усиления выражены в дБ, то их сумме).
Корректирующий усилитель должен обеспечивать коэффициент усиления:
- на нижних частотах 50 дБ;
- на средних частотах 38 дБ;
- на высших частотах 46 дБ.
Т.к. усилителям-корректорам сложнее работать на нижних частотах, то обеспечим на них одинаковый коэффициент усиления обоих корректирующих каскадов.
Исходя из этого начальный коэффициент усиления для первого корректирующего звена H1 (или K1) примем равным 20 дБ, для второго H2 (или K2) - равным 10 дБ.
Комплексный коэффициент усиления для первого звена можно вычислить по формуле (1):
, (1)
где p - оператор Лапласа;
- комплексный коэффициент передачи первого звена корректирующего усилителя;
, - комплексные сопротивления цепи обратной связи первого звена корректирующего усилителя.
,
.
Подставляя выражения для Z1(p) и Z2(p) в формулу (1) после необходимых преобразований, получим:
,
,
где
, (2)
, (3)
. (4)
Исходя из желаемой характеристики коррекции, начальный коэффициент усиления первого звена корректирующего усилителя K1 = 300, f1 = 30 Гц и f2 = 160 Гц. Следовательно, , .
Задаем значение свободно выбираемому элементу. При этом нужно помнить, что минимальное сопротивление нагрузки ОУ должно быть не менее 2 кОм.
Пусть R2 = 1 кОм, тогда подставляя значения для K1 и R2 в уравнение (2) и решая его относительно R2, получим:
.
Решаем совместно уравнения (3) и (4):
, откуда

.
Комплексный коэффициент усиления для второго звена можно вычислить по формуле (5):
, (5)
где p - оператор Лапласа
- комплексный коэффициент передачи второго звена корректирующего усилителя;
, — комплексные сопротивления цепи обратной связи второго звена корректирующего усилителя.
,
.
Подставляя выражения для Z3(p) и Z4(p) в формулу (5) после необходимых преобразований, получим:

, (6)
, (7)
. (8)
Исходя из желаемой характеристики коррекции, начальный коэффициент усиления второго звена корректирующего усилителя, K2 = 200, f3 = 3 кГц и f4 = 7.5 кГц. Следовательно, , .
Задаем значение свободно выбираемому элементу. Пусть , тогда подставляя значения для и в уравнение (6) и решая его относительно , получим:
.
Решаем совместно уравнения (7) и (8):
,
.
.
2.2 Предварительный расчёт усилителя мощности
На частоте 25 кГц усилитель мощности должен обеспечивать падение АЧХ с 46 дБ до 0. Для этого следует применить цепь отрицательной обратной связи.

Выбрав значение R1 = 1 кОм, для обеспечения 20 дБ равномерной частотной характеристики, получаем R2 = 10 кОм.
3 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМЫ С ПОМОЩЬЮ ПК
3.1 Моделирование схемы на ПК
Итак, моделирую схему на ПК. Первое звено корректирующего усилителя, обеспечивающий спад АЧХ на низких частотах с 12 до 10 дБ, разработан в программе Electronics Workbench. АЧХ, выдаваемая этой схемой представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – АЧХ первого звена корректирующей части усилителя
АЧХ второй части корректирующего усилителя, обеспечивающий подъем на высоких частотах, представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 - АЧХ второго звена корректирующей части усилителя
Схема усилителя мощности была представлена на рисунке 4. Изобразим частотную характеристику этой схемы, рисунок 8.

Рисунок 8 – АЧХ конечной части каскада
3.2 Оптимизация схемы
Анализ схемы для моделирования предполагает составление в программе Electronics Workbench принципиальной схемы корректирующего мощного усилителя (выбор и расположение компонентов, проведение связей между ними) и выполнение соответствующих видов анализа (анализ частотной характеристики, осциллограмм сигнала). Принципиальная схема корректирующего мощного усилителя представлена в приложении А данной работы.
В предыдущих разделах данной работы был осуществлён расчёт элементов устройства. Его частотная характеристика приведена на рисунке 9.

Рисунок 9 – частотная характеристика мощного корректирующего усилителя

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе выполнения курсового проекта была разработана и обоснована принципиальная схема мощного корректирующего усилителя с заданной АЧХ и мощностью в нагрузке. При помощи пакета MathCAD был произведен предварительный расчет значений элементов схемы. Данные, полученные в ходе предварительного расчета, были использованы при моделировании схемы на ЭВМ в пакете программ схемотехнического проектирования Electronics Workbench 5.12.
В результате выполнения курсового проекта были закреплены теоретические знания, полученные при изучении курса “Схемотехника аналоговых электронных устройств”, а также получены практические навыки при работе со справочным материалом.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. – М.: Мир, 1983. – 512 с.
2. Анализ и оптимизация корректирующего мощного усилителя на основе операционных усилителей: Метод. указания / Самарский гос. Аэрокосмический ун-т. Сост. В.И. Михайков. Самара, СГАУ 2002 – 15с.
3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. Вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк. 1991. – 622 с.
4. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. П. Шкритек. – М.: Мир, 1991. – 446 с.: ил.
5. Искусство схемотехники в 3-х томах: Т. 1. П. Хорровиц, У. Хилл. – М.: Мир, 1993. – 413 с.: ил.

Приложенные файлы

  • docx 18003185
    Размер файла: 732 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий