Расчет элементов второго каскада

2.3 Расчет элементов второго каскада

Сопротивлениевыберем также исходя из условия, что оно должно быть на порядок меньше R_вхОУ.

Из условия протекания малых токов смещения

Исходя из выражения, что коэффициент усиления каскада равен:

и коэффициент усиления для первого каскада возьмём равным

Подставив полученное выражение в формулу для R₆, получим:

Зная номинал R₆, найдём:

С₅, С₆ – номиналы рекомендованы в технической документации и равны 100 нФ у каждого конденсатора.

Расчёт конденсатора С₅ производится аналогично разделительной ёмкости в транзисторном варианте:

С₄ – рассчитаем аналогично ёмкости С₂ из предыдущего каскада.

Из тех же соображений, что и в первом каскаде, возьмём номинал ёмкости равной:

2.4 Расчёт регулировки усиления:

Регулировку усиления, как и условились, будем вводить во второй каскад. Расчёт элементов регулировки такой же как и для транзисторного варианта:

Резистор R₄, для обеспечения К_MIN, должен быть равным:

- подстроечный резистор (СП3 – 28) включённый последовательно с R₆’.

Так как усилитель дифференциальный, и мы подбором элементов схемы старались уровнять токи смещения, то ёмкость на выходе, которая будет весьма габаритной, можно не ставить и это позволит значительно уменьшить размеры платы.

3. Конструкторская часть

В качестве материала, из которого изготавливается печатные платы транзисторного варианта и варианта на микросхемах, используем фольгированный стеклотекстолит СОНФ – 1 – 35 (ТУ 16 – 503.204 – 80).

Все используемые постоянные резисторы типа С2-33Н-0.125 за исключением R14 в транзисторном варианте и R4 в микросхемном варианте - С2-33Н-0.5.

Все используемые неполярные конденсаторы типа К10-17Б (типоразмер -0805).

Все электролитические конденсаторы типа К50-6 номинальным напряжением не менее, чем на 16В.

Печатную плату будем изготавливать методом химического травления. Шаг координатной сетки, при разработке печатной платы, выберем равным 1,25 мм. Методом травления можно получить минимальную ширину дорожек мм. Но лучше использовать толщину дорожек мм.

Транзисторный вариант:

Найдём размеры печатной платы XP*YP для размещения k=37 элементов заданной электрической схемы.

Каждый элемент с габаритными размерами XU_i*YU_iзанимает на плате площадь SU_i= XU_i*YU_i

Площадь, занимаемая элементами на плате, составит:

Данные по установочным размерам элементов представлены в следующей таблице

Поз. обозначение	Наименование	Установочные размеры по ГОСТ 29137-91, мм
		Вариант установки	Z0	Ni	YU	XU	ZU	SE,мм2
C1,C10	K10-17б	180	1	2	5,5	8,5	6	93,5
C2–С9	K50-6	180	1	8	9	9	13	648
R1-R13, R15,R17-R19	С2-33Н-0,125	140	1	17	2	10	3	340
R14	С2-33Н-0,5	140	1	1	4	10	4	40
R16	СП3-28	390	1	1	8,8	8,8	5	78,5
VT1	КП313А	180	1	1	3	7,5	5	50
VT2–VT3	КТ312А	180	1	2	5,2	5,2	4	53,6
VT4	КТ603А	180	1	1	10,4	10,4	8	107,5
VT5-VT6	КТ817А, КТ816А	180	1	2	2,8	7,8	11	43,68
VD1,VD2	ГД511В	140	1	2	3,5	9,5	4	66,5
					ZUmax=13мм		SE=1522мм2

С учётом зазоров между элементами, общую площадь для элементов электрической схемы можно представить как площадь функциональной поверхности SF:

SF=SE/CZ

де CZ-коэффициент заполнения или плотности упаковки элементов на плате. Выберем коэффициент заполнения равным CZ=0,25. Тогда:

SF=SE/CZ=1522/0,25=6088≈6000 мм²

Размеры краевых полей X1,X2,Y1,Y2 выбираются кратными шагу координатной сетки, поэтому выберем значение 2,5 мм. Ширину зоны присоединения ( размещения разъёма) X_пр возьмём тоже 2,5 мм. Окончательные размеры печатной платы определяются по формулам:

где CF-коэффициент формы.

В следующей таблице представлены зависимости размеров платы в зависимости от выбранного коэффициента формы:

Исходные данные							Результат, мм		Округление, мм
X1	X2	Y1	Y2	Xпр	CZ	CF	XP	YP	XP	YP
2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	0,25	1	84,96	82,46	85	82,5
						1,1	88,74	78,85	90	80
						1,2	92,35	75,71	92,5	75
						1,3	95,82	72,94	97,5	72,5
						1,4	99,15	70,47	100	70
						1,5	102,37	68,25	102,5	70
						1,6	105,48	66,24	105	67,5
						1,7	108,50	64,41	107,5	65
						1,8	111,42	62,74	112,5	62,5
						1,9	114,27	61,20	115	60
						2,0	117,04	59,77	117,5	60

Вариант при CF=1,6, так как, при заданных линейных размерах XP*YP=105*67,5мм плата имеет наименьшую площадь, по сравнению с другими вариантами. Поэтому, поскольку ограничения на форму и размещение не предъявлялись, принимаем размеры печатной платы XP*YP=105×67,5мм.

Рассчитаем размеры функционального узла по координате Z. Характерные для плат размеры по координате Z представлены на рисунке ниже:

Из рисунка найдём:

ZP=ZU_max+Z₀+h=13+1+1=15мм, где:

-толщина материала платы;

ZU_max=13-максимальная из высот монтажа элементов;

Z₀-толщина пайки элементов со стороны печатных проводников.

Таким образом, в ходе расчётов установлены окончательные размеры платы – 105×67,5×15мм.

Рассчитаем диаметры отверстий D для установки навесных элементов и соответствующие им диаметры контактных площадок. Принято, что

D=DV+0,2мм

где DV-диаметр вывода. Диаметр контактной площадки D_к.п. определяется по формуле

D_к.п.=2XA+D,

где ХА=0,5 мм – ширина проводника.

Для уменьшения числа технологических операций, следует близкие значения диаметров сгруппировать, округлив в большую сторону. В следующей таблице занесены полученные результаты:

Поз. обозначение	Наименование	Диаметр вывода	Диаметр отверстия		Диаметр контактной площадки
			расчёт	округление
C1,С10	K10-17б	0,4	0,6	0,6	1,6
C2–C9	K50-6	0,6	0,8	0,8	1,8
R1-R13, R15, R17-R19	С2-33Н-0,125	0,5	0,7	0,8	1,8
R14	С2-33Н-0,5	0,5	0,7	0,8	1,8
R16	СП3-28	0,8	1	1	2
VT1	КП313А	0,5	0,7	0,8	1,8
VT2-VT3	КТ312А	0,4	0,6	0,6	1,6
VT4	КТ603А	0,5	0,7	0,8	1,8
VT5-VT6	КТ817А, КТ816А	0,5	0,7	0,8	1,8
VD1,VD2	ГД511В	0,5	0,7	0,8	1,8

Расчёт радиатора на транзисторы оконечного каскада производим следующим образом:

Поскольку эта мощность выделяется на обоих транзисторах, то делим её пополам:

По графику из справочника радиолюбителя-конструктора найдём площадь радиатора по мощности и температуре (задана по ТЗ):

Площадь поверхности радиатора для одного транзистора S=80 см², так как она довольно большая, то радиатор делается ребристым.

Микросхемный вариант:

Найдём размеры печатной платы XP*YP для размещения k=18 элементов заданной электрической схемы.

Каждый элемент с габаритными размерами XU_i*YU_iзанимает на плате площадь SU_i= XU_i*YU_i

Площадь, занимаемая элементами на плате, составит:

Данные по установочным размерам элементов представлены в таблице:

Поз. обозначение	Наименование	Установочные размеры по ГОСТ 29137-91, мм
		Вариант установки	Z0	Ni	YU	XU	ZU	SE,мм2
C5,C6	K10-17б	180	1	2	5,5	8,5	6	93,5
C1,С2, C3,С4	K50-6	180	1	4	9	9	13	324
R1-R3, R5,R7 -R8	С2-33Н-0,125	140	1	6	2	10	3	120
R6	С2-33Н-0,5	140	1	1	4	10	4	40
R4,R9	СП3-19	390	1	2	8,8	8,8	5	154,8
DA1	140УД10	390	1	1	10	10	5	100
DA2	A2030Н	390	1	1	4,8	10,4	16	50
VD1,VD2	КД243А	140	1	2	3	5	4	30
					ZUmax=16мм		SE=912,3мм2

С учётом зазоров между элементами, общую площадь для элементов электрической схемы можно представить как площадь функциональной поверхности SF:

SF=SE/CZ

где CZ-коэффициент заполнения или плотности упаковки элементов на плате. Выберем коэффициент заполнения равным CZ=0,25. Тогда:

SF=SE/CZ=912,3/0,25=3649≈3650 мм²

Размеры краевых полей X1,X2,Y1,Y2 выбираются кратными шагу координатной сетки, поэтому выберем значение 2,5 мм. Ширину зоны присоединения ( размещения разъёма) X_пр возьмём тоже 2,5 мм. Окончательные размеры печатной платы определяются по формулам:

 

где CF-коэффициент формы.

В следующей таблице представлены зависимости размеров платы в зависимости от выбранного коэффициента формы:

Исходные данные							Результат, мм		Округление, мм
X1	X2	Y1	Y2	Xпр	CZ	CF	XP	YP	XP	YP
2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	0,25	1	67,92	65,42	67,5	65
						1,1	70,86	62,60	70	62,5
						1,2	73,68	60,15	72,5	60
						1,3	76,38	57,99	75	57,5
						1,4	78,98	56,06	80	55
						1,5	81,49	54,33	80	55
						1,6	83,92	52,76	82,5	52,5
						1,7	86,27	51,34	85	50
						1,8	88,56	50,03	87,5	50
						1,9	90,78	48,83	90	47,5
						2,0	92,94	47,72	92,5	47,5

Вариант при CF=1,7, так как, при заданных линейных размерах XP*YP=85*50мм плата имеет наименьшую площадь, по сравнению с другими вариантами. Поэтому, поскольку ограничения на форму и размещение не предъявлялись, принимаем размеры печатной платы XP*YP=85×50мм.

Рассчитаем размеры функционального узла по координате Z. Характерные для плат размеры по координате Z представлены на рисунке ниже:

Из рисунка найдём:

ZP=ZU_max+Z₀+h=16+1+1=18мм, где:

h-толщина материала платы;

ZU_max=16-максимальная из высот монтажа элементов;

Z₀-толщина пайки элементов со стороны печатных проводников.

Таким образом, в ходе расчётов установлены окончательные размеры платы – 85×50×18мм. Рассчитаем диаметры отверстий D для установки навесных элементов и соответствующие им диаметры контактных площадок. Принято, что D=DV+0,2мм, где DV-диаметр вывода. Диаметр контактной площадки D_к.п. определяется по формуле

D_к.п.=2XA+D,

где ХА=0,5 мм – ширина проводника.

Для уменьшения числа технологических операций, следует близкие значения диаметров сгруппировать, округлив в большую сторону. В следующей таблице занесены полученные результаты:

Поз. обозначение	Наименование	Диаметр вывода	Диаметр отверстия		Диаметр контактной площадки
			расчёт	округление
C5,C6	K10-17б	0,4	0,6	0,6	1,6
C1,С2, C3,С4	K50-6	0,6	0,8	0,8	1,8
R1-R3, R5, R7-R8	С2-33Н-0,125	0,5	0,7	0,8	1,8
R6	С2-33Н-0,5	0,5	0,7	0,8	1,8
R4, R9	СП3-19	0,8	1	1	2
DA1	140УД10	0,4	0,6	0,6	1,6
DA2	A2030H	0,8	1	1	2
VD1,VD2	КД243А	0,5	0,7	0,8	1,8

Так как микросхема 140УД10 работает в области малых сигналов, то есть мощности на её выходе невысоки. В охлаждении она не нуждается, следовательно, расчёт радиатора для неё проводить не будем.

Расчёт радиатора для микросхемы А2030Н не обязателен, так как в техническом описании есть вид радиатора, рассчитанного именно под эту микросхему:

4. Выбор оптимального варианта

Оценку оптимальности одного из вариантов будем производить по следующим критериям:

1.  Размеры печатной платы под монтаж

2.  Общее число элементов на плате

3.  Число электролитических конденсаторов, как наиболее ненадёжных при длительной эксплуатации (высыхают)

Результаты сравнения по вышеописанным пунктам:

1.  S_тр=6000 > S_мк=3650 мм²

2.  К_тр=37 > К_мк=18

3.  К_эл,тр=8> К_эл,мк=4

Как нетрудно заметить, микросхемный вариант имеет преимущества по всем названным критериям, но могут возникнуть случаи, когда транзисторный вариант будет предпочтительней. Поскольку в нашем задании не предъявлялось требований к размещению устройства и каких-либо особенностей условий его эксплуатации (повышенное давление, завышенный радиоактивный фон и т.д.), для которых подошли бы только устройства на «военных» транзисторах, то сделаем вывод о том, что микросхемный вариант предпочтительней.

5. Заключение

В ходе расчетов была получена схема на транзисторах ШУ с коэффициентом усиления К₀≈325. Схема состоит из пяти каскадов, причем коэффициент усиления каждого находится в пределах 15, что вполне соответствует предварительному расчету усилителя.

Во второй части курсового проекта была рассчитана схема усилителя с использованием ИМС.

В предыдущем разделе, мы выяснили, что оптимальным вариантом является усилитель с применением ИМС.

6. Список использованной литературы

1.  Афанасьев В.В., Данилаев М.П., Нуриев И.И., Усанов А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Методическое пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007. 48 с.

2.  Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие / Ефимов В.В., Павлов В.Н., Соколов Ю.П. и др.; под ред. Н.В. Терпугова .-М.: Высш. школа , 1982.-190 с., ил.

3.  Проектирование усилительных устройств на транзисторах: Учебное пособие для вузов; под ред. Г.В. Войшвилло.-М., «Связь», 1972.

4.  Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана.-М.:Радио и связь, 1981,-656 с., ил.

5.  Турута Е.Ф. 3500 микросхем усилителей мощности низкой частоты и их аналоги (2-е издание, переработанное и дополненное).-М.: ДМК Пресс, 2005.-352 с., ил. (Справочник)

6.  Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители: Справочное пособие по применению.–М.: Энергоиздат, 1982. – 128 с., ил.