Разработка нормирующих усилителей, на выходе которых значение напряжения будет изменяться от 0 до 2 В, страница 2

Расчет усилительного каскада.

Напряжение источника питания:      Uc = 15 В

Е = 2*Uc B

Амплитуда сигнала на входе:             Umin = 0,25 B ;   Umax = 0,35 B.

                   

Ucmax = 0,05 B.

Амплитуда сигнала на выходе:           Uвых max = 1 B.

Частота сигнала:                                  f = 16*8000 = 128000 Гц.

Внутреннее сопротивление источника питания:  Rг = 0   Ом.

Сопротивление нагрузки:                    Rн =10*10³     Ом.

Тип транзистора:   n-p-n.

Схема усилительного каскада

Расчет каскада.

Максимальное напряжение коллектор – эмиттер:

Uкэmax =1,3*Е = 39 В.

Максимальный ток коллектора:

I_kmax=(2*U_выхmax)/R_n=2*10^-4  А

где Inm = Uвых max/Rн – наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки.

По Uкэmax  и Ikmax  выбираем транзистор КТ315В с параметрами:

1.  максимальное напряжение коллектор-эмиттер  Uкэmax = 40 В;

2.  максимальный ток коллектора   Ikmax  - 100*10^-3 А;

3.  минимальное и максимальное значение коэффициента усиления по току       βmin=20   βmax=90;

4.  максимальная постоянная рассеиваемая  мощность коллектора         Ркmax =0,15 Вт;

5.  минимальный рабочий ток коллектора (обратный ток коллектора)  Iкo=1*10^-6  A;

6.  напряжение насыщения коллектор-эмиттер   Uкэнас=1,1 В;

7.  ток покоя коллектора  Iкн =10^-3  А.

Проверяем выполнение условий:

Iкmax =0,1 >  Iкн =1*10^-3 >  1.1*U_выхmax/R_н=1.1 А

Iкн =1*10^-3 > 100* Iко =1*10^-4 А.

Принимаем I_кн  = 10^-3 А

Потенциал эмиттера на постоянном токе  U_э = 10,9 В.

Максимальный ток покоя базы  I_бпmax=I_kп/β=5*10^-5 А

Ток делителя     Iд  =5*I_бпmax = 2,5*10^-4 А.

Сопротивление в цепи  эмиттера 

R4=U_э/I_кп=1,09*10⁴ Ом

Примем   (ближайшее по номиналу сопротивление)   R4 = 11*10³ Ом

Напряжение базы  Uбэ = 0,6 В.  

Uб = Uэ +Uбэ =11,5 В.

Сопротивление делителя  R1=(E-U_b)/(6*I_бпmax)=6.167*10⁴ Ом

Принимаем   (ближайшее по номиналу сопротивление)   R1 = 62*10³ Ом.

Принимаем   (ближайшее по номиналу сопротивление)   R2 = 47*10³ Ом.

Найдем сопротивление R3 с учетом:    ∆Uд = 0,1*Е    ,   Uc = 0.

Uкп = Uэ + Uкэнас + Uвыхmax + Uс + ∆Uд = 16 В

R3=(E-U_кп)/(I_кп)=1,4*10⁴ Ом

Принимаем   (ближайшее по номиналу сопротивление)                                    R3 = 15*10³ Ом.

Напряжение покоя коллектор-эмиттер

Uкэп = Uкп – Uэ = 5,1 В.

Мощность рассеяния покоя  Ркп = Uкэп *Iкп = 0,005 Вт

Ркп = 0,005 Вт  <  Ркmax = 0,15 Вт

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода 

R_кд=U_у/I_кп=1*10⁵  ,      где Uy =100 B – напряжение Эрли.

Расчет для данных  Umin =0,25 B    Umax =0,35 B    Ucmax =0,05 B

Uвыхmax =1 B

Выходное сопротивление каскада  

Сопротивление   

Находим амплитуду напряжения на входе каскада Uвхmax

             где фτ =25*10^-3 В

             

Коэффициент усиления каскада по напряжению

Уточняем R5     

Откуда R5 = 251,34  Ом.

Принимаем   (ближайшее по номиналу сопротивление)  R5 = 270 Ом.

Емкость конденсаторов

Принимаем   (ближайшее по номиналу)  С1 = 4,7 нФ.

Принимаем   (ближайшее по номиналу)  С2 = 100 нФ.

Данные по расчетам остальных 5-ти каскадов приведены в таблице:

Вход	е1	е2	е3	е4	е5	е6
еmin ,B	0,25	0,15	0,05	0,15	0,2	0,25
emax ,B	0,35	0,35	0,15	0,25	0,45	0,35
ky	20	10	20	20	8	20
R5, Ом	270	560	270	270	680	270
C1 нФ	4,7	3,0	4,7	4,7	2,7	4,7
C2 нФ	100	47	100	100	36	100

Выбор согласующего усилителя

С выходов нормирующего усилителя U_вых=0…2 В сигналы подаются на вход устройства:

- напряжению U_вх=0 соответствует U_вых=U_up=3.3 В, а U_вх=2 В –U_вых=U_down=-1.48 В.

Реализуем эту функцию на ОУ, работающем в режиме сумматора:

U_вых=К_у*U_вх+U_up=-2.39U_вх+3.3. Это инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления K_у=-2.39 В.

R_ос= 20 кОм

К_у1=2.39=R_ос/R₁

К_у2=3.3/15=R_ос/R₂=0.22

R₁=R_ос/2.39=20/2.39=8.4 кОм