Задание.................................................................................................. 1
Содержание........................................................................................... 2
1. Название............................................................................................ 3
2. Назначение........................................................................................ 3
3. Основные технические параметры................................................... 3
4. Принцип действия............................................................................. 3
5. Эскизный расчет устройства............................................................ 5
6. Выбор основных электронных компонентов................................... 5
7. Принципиальная схема устройства.................................................. 7
8. Детальный расчет принципиальной схемы...................................... 7
9. Анализ работы устройства с точки зрения заданных критериев
качества. 9
10. Эскиз размещения элементов и электронных компонентов
схемы.
11. Определение основных массогабаритных показателей...................
12. Литература........................................................................................
Генератор прямоугольных импульсов, управляемый напряжением.
Во многих случаях нужно дистанционно
управлять частотой колебаний генератора путем изменения напряжения. Примерами
могут служить музыкальные синтезаторы и передатчики с частотной модуляцией. Для
этих целей применяются генераторы, управляемые напряжением.
Uвх=10В; fмакс=1кГц;
fмин=100Гц
Rн =2 кОм. Um вых=Uвых нас
4. Принцип действия.
Рассмотрим
принцип действия генератора. При подключении напряжения питания операционных
усилителей (0 и 10В) и некоторого входного напряжения (в обусловленных
пределах) на выходе второго операционного усилителя устанавливается напряжение
насыщения (под действием положительной обратной связи), которое в соответствии
с напряжением питания может быть либо 1В, либо 9В (назовем эти уровни
наименьшем и наибольшем выходным напряжением). Какое именно из этих напряжений
установится зависит от начального шумового дифференциального напряжения на
входе второго операционного усилителя. Транзистор VT1 является полевым транзистором с изолированным затвором и
встроенным каналом n-типа. Его
передаточная характеристика (зависимость тока стока от напряжения между истоком
и затвором) представляет собой правую ветвь параболы, ветви которой направлены
вверх, а вершина лежит на горизонтальной оси левее начала координат.
Примерное
изображение передаточной характеристики транзистора
Учитывая то, что транзистор работает в пентодной области (т.
е. всегда насыщен) , получаем, что ток стока зависит только от напряжения на
выходе второго операционного усилителя, а следовательно может принимать два
значения, соответствующие наименьшему и наибольшему напряжением на затворе.
С другой стороны поданное на вход схемы напряжение делится
резистивным делителем R2/R3 и попадает на неинвертирующий вход
первого операционного усилителя, который подобран так, чтобы при заданный
условиях задачи он не смог перейти в режим насыщения. Учитывая этот факт и
наличие отрицательной обратной связи по принципу виртуального нуля потенциалы
на входах равны. В таком случае на инвертирующем входе первого операционного
усилителя устанавливается некоторое положительное напряжение, меньшее по
величине, чем входное напряжение схемы, и равное напряжению на нетнвертирующем
входе. На концах резистора R1
возникает разность потенциалов, вызывающая ток через него. По принципу
бесконечно большого входного сопротивления в операционный усилитель ток втекать
не может. Ток резистора R1
выбирается так, что бы он находился между двух значения тока через транзистор,
оговоренных выше. Учитывая, что конденсатор не может изменить свой заряд
мгновенно, на правой его обкладке будут такой же потенциал, как на левой. Этот
начальный потенциал должен быть больше чем потенциал на неинвертирующем входе
второго операционного усилителя при наибольшем напряжении на его выходе для
обеспечения работы генератора. В результате, какое бы не было напряжение на выходе
схемы, под действием положительной обратной связи второй операционный усилитель
за крайне короткий промежуток времени переводит его в наименьшее. На
неинвертирующем входе устанавливается нижнее пороговое напряжение.
Соответствующий ему ток через транзистор, как оговорено выше, меньше тока
резистора R1, поэтому остальная часть тока
протекает через конденсатор, заряжая его, и тем самым уменьшая потенциал на его
правой обкладке, и втекает во вход первого операционного усилителя. Когда
напряжение на инвертирующем входе второго операционного усилителя становится
меньше нижнего порогового, под действие положительной обратной связи усилитель
меняет напряжение на выходе на наибольшее. В результате ток через транзистор
увеличивается, становится больше тока резистора R1. Остальная часть тока протекает через конденсатор,
постепенно разряжая его. Аналогично, когда напряжение на инвертирующем входе
второго операционного усилителя становится выше верхнего порогового
(соответствующего наибольшему напряжению на его выходе), под действие
положительной обратной связи усилитель меняет напряжение на выходе на
наименьшее. В результате на выходе появляется последовательность прямоугольных
импульсов.
Поскольку входное напряжение от 0 до
10В, то напряжение Uси на
транзисторе должно составлять единицы вольт (4..7В). Это значение характерно
для маломощных транзисторов. В качестве напряжения питания операционных
усилителей возьмем 0 и 10В. Следовательно, напряжение на выходе операционных
усилителей может изменяться 1 до 9В. Это напряжение подается на затвор
транзистора. Для нормальной работы генератора зададим ток через транзистор в
пределах от 1 до 5мА. Найдем предельно допустимую мощность транзистора:
Pдоп_max_vt3
< Iс_max * Uси =
5мА * 10В = 50мВт
1. Полевой транзистор VT1: 2П310Б.
Его
параметры:
*
Максимально
допустимая постоянно рассеиваемая мощность = 80.
*
Температура
окружающей среды = 25 °С .
*
Максимально
допустимое напряжение сток- исток = 8В.
*
Максимально
допустимое напряжение затвор- исток = 10В.
*
Максимально
допустимое напряжение затвор- сток = 10В
*
Максимально
допустимый ток стока = 20мА.
*
Максимально
допустимое температура окружающей среды = 125°С.
*
Ток утечки
затвора = 3нА.
*
Крутизна
характеристики = 3..6.
*
Начальный ток
стока = 1 мА.
*
Частота =
1000МГц.
2. Операционные усилители :КР1426УД1
Параметры:
· Функциональные особенности: общего применения, средней
точности, сдвоенный.
· Напряжение источника питания: 0 и 10В.
· Напряжение смещения нуля = 0.8мВ.
· Входной ток = 3нА.
· Коэффициент усиления по напряжению = 94дБ.
· Скорость нарастания выходного напряжения = 0.7В/мкс
· Входное сопротивление = 6МОм.
· Потребляемая мощность = 120мВт.
· Ширина полосы пропускания = 1МГц.
· Корпус: DIP14
Полевой транзистор VT1: 2П310Б.
Операционные усилители (сдвоенный операционный
усилитель):КР1426УД1
Учитывая, что напряжение на выходе схемы
изменяется от 1В до 9В, зная сопротивление нагрузки (2кОм), найдем
максимальный ток через нее
Поскольку входной ток операционного
усилителя (3нА) и ток утечки затвора (3нА) очень малы, то для устойчивого
функционирования схемы зададим сопротивления R6 и R7 такими, чтобы ток
через них был равен току нагрузки, а значения пороговых напряжений были в два
раза меньше соответствующих напряжений на выходе. Для этого R6=R7 и R6+R7=Rн. Отсюда получаем:
Найдем значения пороговых напряжений:
Графический расчет полевого транзистора VT1.
По заданным в справочнике параметрам:
Iст=1мА; Uзи=10В; Iс=5мА
составим уравнение параболы и построим ее
ветвь:
, где
Передаточная характеристика транзистора
Найдем тока транзистора
соответствующие наименьшему и наибольшему напряжению на выходе (здесь и в
дальнейшем, если не указаны единицы измерения, то подразумеваются единицы
системы СИ):
Очевидно, что для равности длительности самих импульсов и
длительность времени между ними ток через конденсатор при его зарядке и
разрядке должен быть одинаковым. Очевидно, что
IR1=IR4+IC=const ,
тогда IR4min+IC=IR4max-IC = >IC =
(IR4min+IR4max)/2 =>
Найдем ток через резистор R1:
Так как напряжение, необходимое для
выхода транзистора из области насыщения 5В, то пусть на входах первого
операционного усилителя будет напряжение по 6В (в точке l на схеме) и ток через делитель R2/R3 будет такой же как через резистор R1. Тогда найдем сопротивление резисторов R1,R2 и R3:
Составим функцию изменения напряжения
в точке a:
При IC =IR1-IR4; IC =-dq/dt; где заряд конденсатора q=C*(Ua-Ul);
Поскольку IR1=(Uвх-Ul)/R1, то Ua=Ul-(Uвх-Ul-IR4*R1)*t/R1*C (график в п.5)
За некоторое время dT напряжение изменяется на dUa.
dUa=-(Uвх-Ul-IR48R1)*dT/R1*C
Из полученной формулы найдем значение
емкости при конкретных значениях dT=0.5
мс (пол- периода при f=1кГц)
и dUa=Uпв-Uпн
т.е. С=0.2мкФ
Конденсатор К53-1 . Его
параметр: номинальное напряжение = 10В.
Резистор R5 выберем достаточно большим, чтобы через него тек
пренебрежительно малый ток. R5=Uпв/1мкВ=9 МОм
Т.к. для нормальной работы
транзистора нужно Uси=5, то UR4<=Ul-Uси, т.е. UR4<=1В
R4=UR4/IR4max=200 Ом
Подсчет рассеиваемых мощностей на резисторах.
P = I2 * R
PR1 =
(0.002862)2 * 1400 = 11мВт
PR2 =
(0.002862)2 * 1400 = 11мВт
PR3 =
(0.002862)2 * 2100 = 17мВт
PR4 =
(0.001262)2 * 200 = 4мВт
PR5 = (0.001)2
*9 = 9мкВт
PR6 = (0.0045)2
* 1000 = 20мВт
PR7 = (0.0045)2
* 1000 = 20мВт
Исходя из данных расчетов, выбираем
резисторы.
МЛТ — 0,125Вт
Резисторы:
Масса = 0,15г;
D=2.2мм; L=6мм.
Конденсатор:
Масса =
D=4мм; L=9мм.
Транзистор VT1:
Масса = 1г
D=5.84мм; L=5.3мм.
Микросхема КР1426УД1:
Корпус: DIP 14
Масса =
D= мм; L= мм
Общая масса элементов =
1. Полупроводниковые приборы.
Транзисторы малой мощности: Справочник — 2-е издание, стереотип. — / А.А.
Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др.. Под ред. А.В. Голомедова. М.: Радио и
связь КУБК-а, 1994. — 384 с ил.
2. Фишер Дж. Э., Гетланд Х.Б.
Электроника — от теории к практике: Пер. с англ. М.: Энергия, 1980. — 400 с. с
ил. — (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1023).
3. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы
в радиоэлектронной аппаратуре. – 2-е изд., перераб. и доп.–М.: Сов. радио, 1979
– 368 с., ил.