Расчет электронных схем

Министерство сельского хозяйства РФ Федеральное государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

Кафедра «ТОЭ»

Курсовая работа

По дисциплине: «Электроника микропроцессорные средства и техника связи»

Тема: Расчет электронных схем

Вариант № 103

Выполнил: студент

Проверил

Ижевск 2009

Содержание

Расчет усилителя напряжения на биполярном транзисторе 3

Расчет схемы на операционном усилителе 9

Синтез логической схемы 12

Заключение 16

Список литературы

1.1 Схема усилителя напряжения

Рисунок 1.1 –Схема усилителя напряжения

1.2 Исходные данные для расчета

Максимальная амплитуда напряжения холостого хода источника входного сиг­нала, EГМ =0,5 В;

Внутреннее сопротивление источника входного сигнала RГ= 200 Ом;

Максимальная амплитуда напряжения нагрузки Uнм=1 В;

Сопротивление нагрузки Rн=1500 Ом;

Нижняя частота усиления fн=20 Гц

Коэффициент частотного искажения на частоте fн Mн=1,6.

1.3 Назначение элементов схемы

VT1 – управляемый биполярный транзистор;

Rб1 и R,б2 – цепь смещения начальной рабочей точки транзистора для обеспечения активного режима работы и усиления в классе А;

RН – эквивалент нагрузки;

Rк – нагрузочный резистор по постоянному току

Rэ – резистор отрицательной обратной связи (ООС) по току;

RГ и ЕГ – эквивалент источника входного сигнала

С1 и С2 – разделительные конденсаторы, исключающие влияние усилителя на ис­точник входного сигнала и нагрузку по постоянному току

1.4 Принцип работы схемы

Входной сигнал накладывается на постоянную составляющую, следова­тельно, напряжение базы увеличивается. От сюда следует, что транзистор допол­нительно приоткрывается, что ведет к увеличению тока базы, так как увеличива­ется ток базы, то и увеличивается ток коллектора, а напряжение на коллекторе падает.

Конденсатор С2 отсекает постоянную составляющую сигнала, и на выходе получаем отрицательную полуволну. Усиление сигнала происходит за счет коэф­фициента усиления и больших значений сопротивлений Rk и RН.

При отрицательной полуволне потенциал на базе падает, следовательно, транзистор начинает закрываться. Это ведет уменьшению тока коллектора и тока базы, а так же уменьшается падение напряжения на сопротивлении Rk. Следова­тельно, напряжение на коллекторе увеличивается, на выходе получаем положи­тельную полуволну.

1.5 Расчет схемы

1.5.1 Определение заданного коэффициента усиления по напряжению

. (1.1)

1.5.2 Расчет сопротивления резистора коллекторной цепи транзистора, кОм

, (1.2)

где – коэффициент соотношения сопротивлений Rк и Rн

При Rн > 1 кОм, то =1,5…5,0

.

Округляем до стандартного значения Rк=3,9 кОм.

1.5.3 Расчет сопротивления нагрузки транзистора по переменному току, кОм

кОм. (1.3)

1.5.4 Расчет максимальной амплитуды переменного тока коллектора, мА

мА (1.4)

1.5.5 Ток коллектора в начальной рабочей точке (ток покоя),мА

, (1.5)

где – коэффициент запаса (0,7…0,95)

принимаем =0,7

мА

1.5.6 Минимальное напряжение в точке покоя, В

(1.6)

где U0 – граничное напряжение Uкэ транзистора между активным режимом и режимом насыщения.

Для транзисторов малой мощности U0=1 В

1.5.7 Напряжение коллектор-эмиттер в начальной рабочей точке, В

Так как минимальное напряжение в точке покоя удовлетворяет условию UКЭ min,< 5 В, следовательно, принимаем UКЭП =5 В

1.5.8 Сопротивление резистора отрицательной обратной связи(ООС)

(1.7)

Округляем до ближайшего меньшего стандартного значения Rэ=510 Ом

1.5.9 Рассчитаем напряжение источника питания, В

(1.8)

В

Принимаем Eп= 11 В.

1.5.10 Выбор транзистора по предельным параметрам из условий

Uкэ max > EП = 11В

Iк max > Iкn = 1,32 мА

Pк max > мВт

Выбираем транзистор 2Т104Г со следующими параметрами

Uкэ max =30 В

Iк max =10 мА

Pк max =150 мВт

h21 э =10 - 60

Iэо» Iко =1 мкА

1.5.11 Определим ток базы покоя транзистора

, (1.9)

1.5.12 Рассчитаем напряжение покоя базы –эмиттер, В. Для этого используем от­носительное выражение для ВАХ эмиттерного перехода транзистора из нелиней­ной модели Эбера-Молла.

, (1.10)

где т =1,2…3 –поправочный коэффициент, учитывающий неидеальность элек­тронного перехода. Рекомендуется

Iэо – обратный ток эмиттерного перехода.

φТ – температурный потенциал, принимаем равным 0,026 В

Uбэ>3тφТ = 150 мВт, поскольку эмиттер находится в режиме активного насыще­ния, то в этом случае единицей можно пренебречь.

IЭ ≈IКП,

, (1.11)

В

1.5.12 Рассчитываем ток делителя цепи смещения, мА

, (1.12)

мкА.

1.5.13 Рассчитаем сопротивления цепи смещения:

, (1.13)

кОм.

Округляем до стандартного значения Rб2 =8,2 кОм

, (1.14)

кОм.

Округляем до стандартного значения Rб1 =75 кОм.

1.5.14 Рассчитаем эквивалентное сопротивление цепи смещения:

, (1.15)

1.5.15 Рассчитаем входное сопротивление усилителя:

, (1.16)

где RВХб – входное сопротивление базы.

, (1.17)

кОм

кОм.

1.5.16 Расчёт разделительных конденсаторов:

Принимаем вклады С1 и С2 в частотные искажения на частоте fН равными:

Мнс1=Мнс2=Мнс=, тогда

, (1.18)

мкФ.

Принимаем С1 =1,8 мкФ.

, (1.19)

мкФ.

Принимаем С2 =2 мкФ

1.5.17 Делаем проверку усилителя на соответствие заданному значению коэффи­циента усиления по напряжению КU:

, (1.20)

где – эквивалентное сопротивление входной цепи

(1.21)

Ом

.

Рассчитаем отклонение Кu от Кид:

, т.к. расхождение не более 10% расчёт считаем вер­ным.

1.5.18 Проверка режима работы усилителя по постоянному току:

EП = 11 В

(1.22)

В

В

В.

1.5.19 Проверка работоспособности схемы по условиям:

UКП> Uбп – активный режим работы;

класс усиления А

UКП-Uбп>Uнт

IКП RК> Uнт

обеспечивает класс усиления А

UКП =5,8 В >Uбп = 1,05 В – обеспечивает активный режим работы;

UКП-Uбп = 5,8 – 1,05 = 4,75 В > Uнт = 1 В

В > Uнт =1 В.

В результате расчета получим схему со следующими заданными параметрами

Кu- 2;

RВХ = 5,8 кОм;

RВЫХ = RК = 3,9 кОм.

Работает в классе усиления А.

Параметры схемы:

Rб1 = 75 кОм;

Rб2 = 8,2 кОм;

Rэ =510 Ом;

Rк =3,9 кОм;

RН =1,5 кОм;

RГ =200 Ом;

С1 =1,8 мкФ;

С2 =2 мкФ;

VT1 – 2Т104Г.

1.5.20 Построим нагрузочные характеристики транзистора по постоянному и пе­ременному токам

А.

;

.

Берем мА, тогда В.

Построим нагрузочную характеристику по полученным выше данным

остроим нагрузочную характеристику по полученным

Раздел 2. Расчет схемы на операционном усилителе

2.1 Исходные данные

Внутренние сопротивления источников сигнала – RG1 =25 кОм, RG1=25кОм

Коэффициенты усиления по напряжению – Кu1 =30, Кu2=20

Динамический диапазон – D =28 дБ

Максимальная рабочая температура – Tм =30 ÅС

2.2 Схема неинвертирующего усилителя

Рисунок 2.1 – Схема неинвертирующего усилителя

2.3 Назначение элементов схемы

DA1 – усиливающий элемент

R1 ,R2 ,R4 – служат для получения требуемого коэффициента усиления

R3 - компенсационный резистор, служит для компенсации ошибки ОУ, которая возникает при протекании входного тока смещения ОУ через резисторы, подключенные к инвертирующему входу.

RG1 ,UG1 ; RG2 ,UG2 - Эквиваленты источников входного сигнала схемы по постоянному току.

2.4 Принцип действия схемы

Суммирующий усилитель является частным случаем инвертирующего усилителя, на выходе которого получается повернутый на 180є входной сигнал, пропорциональный алгебраической сумме входных сигналов. Поскольку точка суммирования токов А имеет нулевой потенциал (приняли потенциал инвертирующего входа равным нулю), можно записать I1=Uвх1/R1 I2=Uвх/R2. Ток в цепи обратной связи равен по 1 закону Кирхгофа сумме входных токов Iос=I1+I2. Тогда выходное напряжение сумматора

Из формулы видно, что усиление по каждому входу можно регулировать, меняя сопротивление входной цепи. Достоинством сумматора на ОУ является то, что суммирование напряжений производится независимо друг от друга, то есть без взаимных помех источников суммируемых сигналов, так как эти сигналы суммируется относительно земли.

2.5 Расчет схемы

2.5.1 Рассчитаем сопротивление R1, кОм так как Ku1RG1>Ku2RG2: 750>500

Для обеспечения минимального влияния сопротивления источника сигнала RG1 на значение коэффи­циента усиления Ku1 необходимо, чтобы входное сопротивление R1 было много больше сопротивления источника сигнала RG1 в 5…10 раз

, (2.1)

кОм

Округляем полученное значение сопротивления до стандартного значения R1 = 130 кОм.

2.5.2 Рассчитаем значение сопротивления резистора обратной отрицательной связи R4.

, (2.2)

кОм

Округляем полученное значение сопротивления до стандартного значения R4 = 3900 кОм

2.5.3 Рассчитываем значение сопротивления резистора R2

кОм

Округляем полученное значение сопротивления до стандартного значения R2 = 200 кОм

2.5.4 Рассчитываем значение компенсирующего резистора на втором входе ОУ

кОм

Округляем полученное значение сопротивления до стандартного значения R3=82кОм

2.5.5 Выберем операционный усилитель согласно следующих условий:

max{R1,, R2,, R3,} << Rвх ОУ,,

Rвых ОУ << R3 << Rвх ОУ , (2.3)

Uсм доп > U∑см ОУ

Выбираем операционный усилитель К140УД6 со следующими параметрами опе­рационного усилителя

Коэффициент усиления ;

Входное сопротивление Rвх = 1 МОм;

Выходное сопротивление Rвых = 1 кОм;

Разность входных токов ∆Iвх = 10 нА;

Тепловая разность входных токов нА/К;

Напряжение смещения Uсм =5 мВ;

Температурный дрейф напряжения смещения мкВ/К;

Напряжение питания Uпит = í15 В.

Условия пригодности ОУ по входному и выходному сопротивлению выполня­ются. Проверим условие по напряжению смещения.

2.5.6 Рассчитаем Uсм доп по эквивалентному коэффициенту усиления KU экв

=30+20=50, (2.4)

и заданному динамическому диапазону D:

, (2.5)

где допустимое смещение на выходе усилителя находим следующим образом:

,

Uвых max =11 В,

В

Принимаем KU2 = 0, тогда .

мВ.

2.5.7 Рассчитаем суммарное, приведенное ко входу, смещение ОУ по следующей формуле

, (2.6)

где - напряжение смещения, вызываемое разностью входных токов;

- напряжение смещения, вызываемое тепловым дрейфом входных то­ков;

- тепловое смещение напряжения;

(2.7)

мВ.

, (2.8)

где T0 – температура при нормальных условиях T0 = 25 ÅС

мВ.

, (2.9)

мВ,

мВ

мВ > мВ, следовательно операционный усилитель вы­бран правильно.

2.6 Найдем максимально допустимую амплитуду напряжения источника сигнала:

В (2.10)

В

Раздел 3. Синтез логической схемы

3.1 Исходные данные

Логическая функция: F =

Стоимость схемы :

где n –общее число координат;

r –размерность куба;

k –число кубов, на которых функция равна 1;

.

3.2 Минимизация логической функции

Составляем карту Карно, выделяем соседние минтермы и минимизируем функ­цию. При этом строим максимальные кубы на клетках, где функция равна 1. На­ходим клетки, которые покрываются только одним кубом, и удалив, из рассмот­рения кубы, которые покрывали что-то из удаленных клеток, если клетки, покры­ваемые удаляемыми кубами, имеют покрытие в виде другого куба равной или большей размерности по сравнению с отбрасываемым кубом.

X1 X2 X3

X4 X5

000 010 110 100 101 111 011 001
00 1 1 1 1 1 1 1
01 1 1
11 1 1 1
10 1 1 1

После минимизации функция имеет вид:

С min=

Её стоимость равна:

.

3.3. Факторизация покрытий.

Находим µ - произведения всех кубов с помощью таблицы изображенной ниже.

1xx00 101xx 01xx0 X0011
1xx00 …….
101xx 1мммм …….
01xx0 мммм0 ммммм …….
x0011 ммммм м0ммм ммммм …….
0000x ммм0м м0ммм 0мммм м00мм

Отбираем маскирующий куб См1= м00мм,имеющий максимальную стои­мость. Таким образом исходное покрытие разбивается на три части. Вверху рас­полагаются кубы, которые не покрываются маскирующим кубом. Затем записы­вается маскирующий куб. Под ним записываются отмаскированные кубы с про­черками на тех координатах, которые не равны µ в маскирующем кубе.

Далее повторяем все действия проделанные выше. Алгоритм заканчивается , ко­гда не останется неотмаскированных кубов, либо маскирующий куб максималь­ной стоимости будет состоять только из одних µ.

1хх00 101хх 01хх0
1хх00 …….
101хх 1мммм …….
01хх0 мммм0 ммммм …….
М00мм ммммм м0ммм ммммм

Отбираем маскирующий куб См2 = 1мммм;

Получаем новое покрытие

Вновь строим таблицу и выявляем маскирующий куб.

01хх0 м00мм
01хх0 …….
м00мм ммммм …….
1мммм ммммм ммммм

См = µµµµµ

По окончанию алгоритма получаем факторизованное покрытие ,которое приведено ниже.

3.4 Построение функциональной схемы в булевом базисе.

При построении схемы факторизованного покрытия следуют правилам:

Построение схемы удобно вести по факторизованному покрытию снизу вверх.

Любой куб, находящийся под маскирующим, реализуется в виде элемента «И», входы которого, соответствуют координатам куба, равным нулю или единице.

Элементы «И», соответствующие отмаскированным кубам, объединяются эле­ментом «ИЛИ».

Маскирующий куб соответствует элементу «И». Его входы образуются координа­тами маскирующего куба, равными нулю или единице, и выходом элемента «ИЛИ», объединяющего отмаскированные им кубы.

Маскирующий куб сам может объединяться другими кубами элементом «ИЛИ», если вместе с другими кубами он покрывается маскирующим кубом более высо­кого уровня.

Реализуем в виде схемы факторизованное покрытие согласно изложенных выше правил. Полученная схема изображена на рисунке 2.

Рисунок 2. Реализация факторизованного покрытия.

3.5 Перевод схемы в универсальный базис

При переводе схемы в универсальный базис И-НЕ необходимо придержи­ваться следующих правил:

Заменить все элементы булева базиса на элементы И-НЕ.

Все независимые входы, которые поступали на входы типа И оставить без изменения заменить на инверс­ные значения, а входы элементов типа ИЛИ заменить на инверс­ные значения.

Если выход снимался со схемы типа И, то на выходе установить инвертор.

3.6 Построение схемы в универсальном базисе.

Придерживаясь всех выше изложенных правил перехода схемы в универсальный базис, получаем следующую схему, которая приведена ниже на рисунке 3.

Рисунок 3. Перевод схемы в универсальный базис

4. Заключение.

В данной курсовой работе я провел расчеты усилителя напряжения переменного тока на биполярном транзисторе, схемы суммирующего усилителя постоян­ного тока на операционном усилителе, и провел синтез логической функциональ­ной схемы.

В первой части работы произвел расчет усилителя напряжения переменного тока, и проверил работоспособность схемы по условиям класса А. Убедился в выпол­нении данных условий, следовательно рассчитанная схема работоспособна и при­годна к эксплуатации.

Во втором части провел расчет суммирующего усилителя постоянного тока, подобрал на основе расчета схемы подходящий для неё операционный усилитель и проверил его согласно вышеизложенных условий. На основании расчетов можно сделать вывод, что рассчитанная схема работоспособна и пригодна к экс­плуатации.

В третьей части провел синтез логической функциональной схемы, определил первоначальную стоимость схемы и, проведя синтез этой функциональной схемы, как можно больше минимизировал стоимость первоначально заданной схемы. Произвел схемную реализацию и перевел ее в универсальный базис И-НЕ.

Список литературы

Арестов К.А Основы электроники и микропроцессорной техники. – М.: Колос, 2001

Забродин Ю. С. Промышленная электроника: - М.: Высшая школа, 1982

3. Куликов В. А., Покоев П. Н. Электроника, микропроцессорные средства и тех­ника связи. Методы расчета электронных схем: Методические указания к курсо­вой работе: - Ижевск:

ИжГСХА, 2004