ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО “Уральский государственныйтехнический университет – УПИ”
Физико-технический факультет
Кафедра экспериментальной физики
Оценка проекта
Члены комиссии
УСИЛИТЕЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО ОТКЛОНЕНИЯ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
140306 620000 005 ПЗ
Руководитель
доцент
Н.Ф. Школа
Нормоконтролер
ст. преподаватель
Е.Г. Новиков
Студент
Фт-438
С.К. Гриценко
2005
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
Уральский государственный техническийуниверситет
Физико-технический факультет
Кафедра экспериментальнойфизики
ЗАДАНИЕ №_____
по курсовому проектированию
Студент группы__Фт-438________специальность______200.600________
Фамилия__Гриценко__________Имя_Сергей_________Отчество_Константинович
Руководитель курсовогопроектирования____Школа Н.Ф.____ _____________
Срок проектирования с _______07.11.2005 по 29.12.2003_______
1. Тема курсового проекта ___Усилитель вертикального отклонения _______ электронно-лучевогоосциллографа_ _________
2. Содержание проекта (какиеграфические работы и расчеты должны быть выполнены)
2.1. Разработать электрическуюпринципиальную схему УВО.
2.2. Рассчитать элементыэлектрической принципиальной схемы УВО.
2.3.Разработать перечень элементов к электрической принципиальной схеме.
2.4. Оформить пояснительнуюзаписку.
2.5. Выполнить чертеж электрической принципиальной схемы УВО.
3. Особые дополнительные сведения
3.1.Сведения о входном сигнале: форма экспоненциальная, полярность - ,
амплитуда 0,01- 20 В, длительность 0,3 — 30 мкс,
скважность 5 .
3.2. Сведения о нагрузке:ЭЛТ 11ЛО3И ,
3.3. Требования к входнымпараметрам УВО: входная емкость, не более 20 пФ,
входное сопротивление, неменее 1000 кОм.
3.4. Сведения об источникесигнала: внутреннее сопротивление 50 Ом.
3.5. Условия эксплуатации:температурный диапазон tmin= 10SYMBOL176 f «Symbol»C, tmax= 35 SYMBOL 176 f «Symbol»C.
4. План выполнения курсовогопроекта:
№ п/п
Наименование этапов проектной работы
Сроки
Примечание
Отметка о выполнении
1.
Разработка структурной схемы УВО, формулирование технических условий к каскадам, выбор схемотехники, задание регулировок.
7.11.05- 12.11.05
2.
Выбор принципиальной схемы оконечного каскада УВО и ее расчет
14.11.05- 20.11.05
3.
Выбор принципиальной схемы фазоинвертора и ее расчет
21.11.05- 27.11.05
4.
Выбор принципиальной схемы предварительного усилителя и ее расчет
28.11.05- 10.12.05
5.
Расчет входного каскада, аттенюатора, вспомогательных схем
12.12.05- 18.12.05
6.
Оформление ПЗ, чертежа ПС и ПЭ, Проведение нормоконтроля
19.12.05- 26.12.05
5. Курсовое проектированиезакончено ____________________________
6. Оценка проекта_______________________________________ ________
Руководитель ______________Н.Ф.Школа
Утверждаю: Зав. кафедрой ____________А.В.Кружалов
СОДЕРЖАНИЕ
1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
2. ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
3. ВВЕДЕНИЕ
4. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
4.1. Разработка структурной схемы УВО
4.2. Задание технических требований к УВО
4.3. Распределение параметров УВО по каскадам
4.4. Выбор схемотехники и расчет ОК
4.5. Выбор схемотехники и расчет фазоинверсного каскада
4.6. Выбор схемотехники и расчет каскада задержки
4.7. Выбор схемотехники и расчет предварительного усилителя
4.8. Выбор схемотехники и расчет входного каскада
4.9. Выбор схемотехники и расчет аттенюатора
4.10. Расчет диодного ограничителя
4.11. Расчет элементов питания ЭЛТ
4.12. Моделирование УВО в среде Micro-Cap7
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
ПРИЛОЖЕНИЕ 7
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
2
4
5
6
6
8
10
12
25
28
31
36
38
43
44
45
47
48
49
52
54
55
56
57
60
2. ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ДК
КУ
ЛЗ
ОК
ОУ
ПУ
ПХ
ТВО
ТГО
ТЗ
УВО
ЧКД
ЭЛО
ЭЛТ
— дифференциальный каскад
— коэффициент усиления
— линия задержки
— оконечный каскад
— операционный усилитель
— предварительный усилитель
— переходная характеристика
— тракт вертикального отклонения
— тракт горизонтального отклонения
— техническое задание
— усилитель вертикального отклонения
— частотно-компенсированный делитель
— электронно-лучевой осциллограф
— электронно-лучевая трубка
3. ВВЕДЕНИЕ
Целью курсового проекта являетсяпроектирование тракта вертикального отклонения электронно-лучевого осциллографа.Проектируемый усилитель должен удовлетворять техническому заданию, содержащимсведения об источнике сигнала, условиях эксплуатации, нагрузке, требования квходным параметрам усилителя.
ПроектируемыйУВО может иметь широкое практическое применение. Так, например, в ролиисточника сигнала может выступать какой-либо датчик, параметры которого (форма,амплитуда, длительность, скважность сигнала) заранее известны. Для визуальногонаблюдения принятого сигнала используется ЭЛТ осциллографа.
4. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
4.1. Разработка структурной схемы УВО.
Сцелью реализовать требования ТЗ была выбрана структурная схема, представленнаяна рис. 4.1.
Рис.4.1. Структурная схема УВО
Всоответствии с рисунком УВО содержит:
4.1.1.Входной аттенюатор – делитель напряжения, предназначенный для дискретногоизменения масштаба (коэффициента отклонения) по вертикали на экране ЭЛТ.Основное требование к аттенюатору: обеспечение заданного коэффициента делениявходного напряжения с требуемой точностью в полосе пропускания УВО.
4.1.2.Входной каскад является согласующим, служит трансформатором сопротивления идолжен обеспечивать высокое входное сопротивление и малую входную емкость влюбом положении аттенюатора, низкое выходное сопротивление каскада, широкуюсобственную полосу пропускания.
4.1.3.Предварительный усилитель обеспечивает усиление входного сигнала до величины,достаточной для работы оконечного усилителя. В этом блоке ТВО осуществляетсяуправление сдвигом постоянного уровня усиливаемого сигнала, дискретнаярегулировка усиления, а также плавная регулировка усиления, предназначенная дляпредэксплуатационной настройкиосциллографа.
4.1.4.Узел задержки обеспечивает возможность наблюдать передний фронт импульса, длячего он задерживается в цепи ТВО на время срабатывания ТГО, с тем, чтобывертикальное отклонение луча не опережало горизонтальную развертку осциллографа.
4.1.5.Фазоинверсный каскад предназначен для согласования несимметричного выходапредварительного усилителя с дифференциальным выходом оконечного каскада.Фазоинвертор позволяет получить два выходных сигнала, равные по амплитуде ипротивоположные по фазе.
4.1.6.Оконечный каскад УВО нагружен на вертикально-отклоняющие пластины ЭЛТ. Егокоэффициент усиления задают максимально возможным для исключения режимабольшого сигнала предоконечного каскада. Требования к ОК предъявляютсяпротиворечивые: он должен обеспечивать широкую полосу и большую амплитудуимпульсов на емкостной нагрузке.
4.2. Задание технических требований к УВО.
Исходяиз ТЗ, сформулируем технические требования, предъявляемые ко всемупроектируемому усилителю:
4.2.1. Выходное напряжение усилителя Uвых.
Выходноенапряжение рассчитывается по формуле:
Uвых= A/SY,
(1)
где Uвых–выходное напряжение, В;
А – размер изображения,мм;
SY– чувствительностьпластин ЭЛТ, мм/В.
А = 50 мм;
SY= 0,7 мм/В – значения берем издокументации к ЭЛТ ;
Uвых= 71,43 В.
Возьмем выходное напряжение с 10 %-мзапасом:
Uвых= 80 В.
4.2.2. Коэффициент усиления номинальный K0.
К0= Uвых max/Uвх min,
(2)
где К0– номинальный коэффициент усиления;
Uвых max– максимальное выходное напряжение,В;
Uвх min– минимальная амплитуда входногоимпульса, В.
Uвых max= 80 В – значение рассчитано вп.4.2.1.;
Uвх min= 0,01 В – берем из ТЗ;
К0=8000.
4.2.3. Допустимые искажения tф.
tф
(3)
где tф–длительность фронта, мкс;
tи min– минимальная длительность входногоимпульса, мкс.
tи min= 0,3 мкс – берем из ТЗ;
tф
4.2.4. Верхняя граничная частота fв.
fв>0,35/tн,
(4)
где fв – верхняя граничная частота УВО, МГц;
tн– время нарастания ПХ, мкс.
tн= tф= 0,03 мкс – значение рассчитано в п. 4.2.3.;
fв>11,67 МГц.
Примечание. Расчет нижней граничнойчастоты fннепроводился, т.к. по проектируемой схемотехнике УВО связь между каскадами –гальваническая, а все каскады являются усилителями постоянного тока.
4.2.5. Параметры нагрузки УВО Rни Сн.
Rн= Rвх ЭЛТ– входное сопротивление ЭЛТ;
Rн= 1000 кОм–задали самостоятельно, т.к. нагрузка – емкостная.
Сн = Свз + 2Спл ,
(5)
где Сн – емкость нагрузки УВО, пФ;
Свз – емкостьвзаимосвязи пластин ЭЛТ;
Спл – емкостьпластин ЭЛТ.
Свз = 4 пФ;
Спл = 4 пФ – значенияберем из документации на ЭЛТ;
Сн = 12 пФ.
4.2.6. Входные параметры УВО Rвхи Свх.
Rвх
Свх
4.2.7. Рабочий диапазон температурокружающей среды:
Беремзначения из ТЗ:
tсрmin= 10 ºC–минимальная температура окружающей среды;
tсрmax= 35 ºC–максимальная температура окружающей среды.
4.3. Распределение параметров УВО покаскадам.
Проектирование и расчетбудут проводиться последовательно для каждого из звеньев УВО. Поэтому,необходимо знать технические требования для каждого из каскадов в отдельности.Получим их, исходя из технических требований к УВО, рассчитанных в п.4.2.
4.3.1. Коэффициенты усиления каскадов.
КУ многокаскадногоусилителя определяется произведением коэффициентов каждого из каскадов вотдельности. Поэтому, в данном случае он рассчитывается по формуле:
Кобщ = КВХКПУКЛЗКФИКОК ,
(6)
где Кобщ – КУ номинальный УВО;
КВХ– КУ входного каскада;
КПУ– КУ предварительного усилителя;
КЛЗ– КУ линии задержки;
КФИ– КУ фазоинверсного каскада;
КОК– КУ оконечного каскада.
КУ оконечного каскадавыбрали наибольшим, исходя из требования, что на его входе должен быть малыйсигнал, значение которого приняли равным 1,2 В. Коэффициенты усиленияпоследующих каскадов выбирали исходя из прогнозируемой схемотехники и условияобеспечения заданного КУ всего усилителя.
Рассчитанные КУ длякаждого из каскадов приведены в табл. 4.1. наряду с выходными напряжениями и другимитехническими требованиями. Отметим, что общий КУ, рассчитанный по формуле (6)составляет: Кобщ = 8147, что с небольшим запасом превышает значение,рассчитанное в п. 4.2.2. Превышение вызвано тем, что при вычислениях округленияпроводили в большую сторону.
4.3.2. Допустимые искажения.
Верхняяграничная частоты многокаскадного усилителя определяется выражением:
fвобщ = EQ F(1;R(;F(1;f2в1) + F(1;f2в2) +… + F(1;f2вn))) ,
(7)
где fвобщ–верхняя граничная частота всего УВО, МГц;
fвi– верхняя граничная частота i-го каскада, МГц.
Искажения определяютсяподкоренным выражением в формуле (7). Наибольшие искажения вносят оконечныйкаскад – 60% и предварительный усилитель – 30%. Фазоинверсный каскад вноситпримерно 5% искажений. Оставшиеся распределим поровну между входным каскадом илинией задержки.
Отметим, что ПУ будетдвухкаскадным, исходя из большого коэффициента усиления и прогнозируемойсхемотехники. Поэтому искажения, вносимые им, распределим поровну между егокаскадами.
Длительность фронта, определяемаявременем нарастания ПХ, рассчитывалась по формуле (4). Верхняя граничнаячастота и длительность фронта для каждого из каскадов представлены в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Вход. каскад
ПУ
ЛЗ
ФИ
ОК
УВО
К1
К2
Uвых, В
0,009375
0,06
0,6
0,3
1,2
80
80
K0
0,95
6,4
10
0,5
4
67
8000
fв, МГц, не менее
73,8
30,2
30,2
73,8
52,2
15,07
11,67
tф, нс, не более
5
12
12
5
7
23
30
4.4. Выбор схемотехники и расчет ОК.
Для реализации требованийк ОК выполним его по схеме каскодного дифференциального каскада с эмиттернойкоррекцией, как представлено на рис.4.2.
Рис. 4.2. Каскодный ДК с эмиттернойкоррекцией
4.4.1. Определение выходного напряжения ОК.
Выходноенапряжение с плеча каскодного ДК – максимальная амплитуда сигнала с одногоплеча ДК:
,
(8)
где Uпл, вых – максимальная амплитуда сигнала сплеча ДК, В;
Uоткл – максимальное выходное напряжение,отклоняющее луч по оси Y, В.
Uоткл= 80 В – выходное напряжение УВО,рассчитанное в п.4.2.1.
Uпл, вых= 40 В.
Максимальное напряжениеодного плеча каскодного ДК Uпл, max– напряжение линейного диапазонаодного плеча ДК:
,
(9)
где Uпл, max– максимальное напряжение одногоплеча ДК, В;
Uпл, вых– максимальная амплитуда сигнала с одного плеча ДК, В.
Uпл, вых= 40 В – значение рассчитано вп.4.4.1;
Uпл, max= 120 В.
4.4.2. Выбор транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4.
ТранзисторыVT1 и VT2 выбираем из числа ВЧ- транзисторовсредней или большой мощности по условию:
Uke max > Uпл, max,
(10)
где Ukemax– максимальное напряжение коллектор-эмиттертранзистора, В;
Uпл, max– максимальное напряжение одногоплеча ДК, В;
Выберем транзисторы VT1 и VT2: BF257фирмы SGS-THOMSON, параметры которого представлены вприложении 2.
ТранзисторыVT3 и VT4 выбираем с минимальным значением τßпо условию:
fT > 3/tн ОК,
(11)
где fT– частота единичного усилениятранзистора, МГц;
tн– заданное время нарастания ОК, мкс.
tн= 0,023 мкс;
fT>130 МГц.
Выберем транзисторы VT3 и VT4: 2SC3597фирмы SANYO, параметры которых представлены вприложении 3. Максимально-допустимые коллекторные токи транзисторов VT1, VT2, VT3 и VT4 должны быть примерно равны.
4.4.3. Задание изменения коллекторного тока в нагрузке ивыбор коллекторной нагрузки.
Коллекторныесопротивления R2 и R3 выбираем из условия:
Rk>Uплmax/ Iвых max,
(12)
где Rk– сопротивление в цепи коллектора,кОм;
Uплmax– максимальное напряжение одногоплеча ДК, В;
Iвых max– максимальный выходной ток,определяемый максимальным коллекторным током транзисторов, мА.
Uплmax= 120 В – значение рассчитано в п.4.4.1;
Iвых max= 65 мА – берем из техническойдокументации на транзисторы в приложениях 2 и 3 с 35%-м запасом.
Rk>1,84 кОм.
Выберем значение 1,87 кОм из ряданоминальных значений E96.
R2 = R3 = 1,87 кОм.
4.4.4. Задание рабочих точек транзисторов.
Рассчитаем ток коллектора Iк2ртранзисторов VT1 и VT2 в рабочей точке из условия:
,
(13)
где Iкр– ток коллектора в рабочей точкитранзисторов VT1 и VT2, мА;
Iвых max– максимальный ток коллекторатранзисторов VT1 и VT2, мА;
ΔIкдоп– допустимое изменение тока рабочейточки от дестабилизирующих факторов, в т.ч. от температуры, мА.
Iвых max= 65 мА;
ΔIкдоп= 0,0001 мА – берем из техническойдокументации на транзистор BF257, представленной в прил.2;
Iк2р> 32 мА.
Выберем Iк2р= 30 мА.
Рассчитаемнапряжение коллектор-эмиттер Uke2ртранзисторов VT3 и VT4 в рабочей точке из условия:
,
(14)
Ukemax= Uпл max= 120 В – рассчитано в п.4.4.1;
Uke2р
Выберем Uke2р= 42 В.
Вычислимток коллектора Iк1ртранзисторов VT3 и VT4 в рабочей точке из условия:
Iк1р= Iк2р/α2 = Iк2р(1+ß2)/ß2 ,
(15)
где ß2 – коэффициентпередачи тока базы транзисторов VT1 и VT2.
Iк2р= 32 мА;
ß2 = 25 – берем изтехнической документации на транзистор BF257, представленной в прил.2;
Iк1р= 31,2 мА.
Зададим постоянное напряжение Eb1на базе транзисторов VT3 и VT4 исходя из предполагаемой схемыпредшествующего каскада:
Eb1= 0 В.
Выберемпостоянное напряжение Eb2на базе транзисторов VT1 и VT2, обеспечивающее паспортный режимтранзисторов VT3 и VT4:
Eb2= 5 В.
Рассчитаемнапряжение коллектор-эмиттер Uke1транзисторов VT3 и VT4 по формуле:
Uke1= Eb2 — Eb1
(16)
Uke1= 5 В.
4.4.5. Расчет напряжения между шинойпитания и эмиттером транзисторов VT3, VT4.
Рассчитаемнапряжение E*k поформуле:
,
(17)
где E*k – напряжение между шиной питания и эмиттеромтранзисторов, В;
Uke1р= 5 В –рассчитано в п.4.4.4;
Uke2р= 42 В –рассчитано в п.4.4.4;
Rk= 1,87 кОм –рассчитано в п. 4.4.3;
Ik2р= 30 мА – рассчитано в п. 4.4.4;
E*k = 101 В.
4.4.6. Расчет параметров транзисторов.
Рассчитаем параметры rb re, Si, S, h11e, h22e, Ck, tb,tT транзисторов VT1, VT2 (BF257).
Входное сопротивление рассчитываетсяпо формуле:
(18)
где rb — объемное сопротивление базы, Ом;
rbe — сопротивление внутренняя база — эмиттер, Ом;
re — дифференциальное сопротивлениеэмиттерного перехода, Ом.
h11e = 227,8 Ом.
Сопротивление базы:
rb= 10 Ом– берем из справочных данных натранзистор (см. прил.2.).
Сопротивление эмиттерарассчитывается по формуле:
(19)
Где — температурныйпотенциал, мВ;
Iep- ток эмиттера врабочей точке, мА.
= 26 мВ
Iep= Ik1p = 31,2 мА,
re= 0,833 Ом.
Крутизна прямойпередаточной характеристики:
(20)
Si = 1154 мА/В.
Внутренняя (физическая)крутизна транзистора:
(21)
S = 789 мА/В.
Емкость коллекторногоперехода транзистора в р.т.:
(22)
где Сk0– значение емкости коллекторного перехода при Uke= Uke0;
Uke0– напряжение коллектор-эмиттер;
Uke– напряжение коллектор-эмиттер врабочей точке.
Сk0= 10,3 пФ,
Uke0= 1 В – значения берем из технической документации натранзистор (см. прил.2.);
Uke= Uke2р= 42 В – рассчитано в п.4.4.4;
Сk= 1,59 пФ.
Частота единичногоусиления транзистора:
fТ= 90 МГц–берем из технической документации (см. прил.2)
(23)
Из формулы следует, что τТ = 1,769 нс.
Граничнаячастота коэффициента передачи тока базы: