Проектирование усилителя низкой частоты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра автоматики и промышленной электроники

Курсовая работа

по курсу

“Аналоговая схемотехника”

“Проектирование усилителя низкой частоты”

Выполнил: студент

Гр. ЭС-91

Руководитель: Дудник А.Б.

Сумы - 2002

Содержание

Введение

1. Выбор принципиальной схемы

2. Расчет выходного каскада

3. Расчет предоконечного каскада

4. Расчет входного каскада

5. Уточнение параметров схемы и расчет обратной связи

6. Расчет элементов связи

Литература

Усилителями называют устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в последние годы усилители преимущественно используются в виде готовых неделимых компонентов - усилительных ИМС. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом.

Электрические сигналы, подаваемые на вход усилителей, могут быть чрезвычайно разнообразны; это могут быть непрерывно изменяющиеся величины, в частности гармонические колебания, однополярные и двухполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах многие физические величины постоянны либо изменяются весьма медленно (напряжение и частота сети, частота вращения двигателя, напор воды на гидроэлектростанции). В переходных и особенно аварийных режимах те же величины могут изменяться в течение малых промежутков времени. Поэтому усилитель должен обладать способностью усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся величины. Такие усилители являются наиболее универсальными и распространенными. По традиции их называют усилителями постоянного тока (УПТ), хотя такое название и не вполне точно: УПТ усиливают не только постоянную составляющую (приращение сигнала) и в подавляющем большинстве случаев они являются усилителями напряжения, а не тока. В УПТ нельзя связывать источник и приёмник сигнала через трансформаторы и конденсаторы, которые не пропускают постоянной составляющей сигнала. Это условие вызывает некоторые трудности при создании УПТ, но оно же обусловило ещё большее распространение УПТ с появлением микроэлектроники: УПТ не содержат элементов, выполнение которых в составе ИМС невозможно (трансформаторы и конденсаторы большой ёмкости).

Наряду с применением основного типа усилителей - УПТ - в ряде случаев оказывается целесообразным использование усилителей с ёмкостной связью. Применение ёмкостной связи между каскадами усилителей в настоящее вышло из употребления, так как конденсаторы с большой ёмкостью невыполнимы в виде элементов ИМС.

Достоинством усилителей с ёмкостной связью является отсутствие дрейфа нуля: конденсаторы не пропускают постоянной составляющей, в том числе напряжение дрейфа.

Находим максимальную мощность Pвх
сигнала на входе усилителя, которую можно получить при равенстве входного сопротивления Rвх
усилителя и внутреннего выходного сопротивления Rген

источника сигнала:

(1.1)

где eген
- величина ЭДС источника сигнала;

Rген
- внутреннее сопротивление источника сигнала.

Требуемый коэффициент усиления по мощности всего усилителя:

(1.2)

где a
p
= (1,1¸1,3) - коэффициент запаса по мощности;

- мощность, выделяемая в нагрузку.

Выразим коэффициент усиления в децибелах по формуле:

(1.3)

Определим ориентировочное число каскадов, считая, что каждый каскад может обеспечивать усиление мощности примерно на 20дб
.

(1.4)

Составим структурную схему (рисунок 1.1):

Рисунок 1.1 - Структурная схема усилителя: ВхК - входной каскад, обеспечивающий главным образом согласование с источником сигнала; ПК - промежуточный каскад; ПОК - предоконечный каскад; ВК - выходной сигнал, работающий непосредственно на нагрузку

Составив структурную схему, можно рассчитать выходной и входной каскады.

Рисунок 2.1 - Бестрансформаторный выходной каскад

Выбор выходных транзисторов.

Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора VT3 (VT4) (см. рис.2.1):

(2.1)

где Uн
- эффективное значение напряжения на нагрузке в В
.

Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора VT3 (VT4):

(2.2)

Мощность, выделяемая каскадом в нагрузке:

(2.3)

Необходимое напряжение источника питания:

(2.4)

где k1
= (1,01¸1,1) - коэффициент запаса по напряжению;

rнас
= (0,1¸1) - внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения.

Выберем напряжение источника питания равным 15В
.

Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

(2.5)

По следующим неравенствам выбираем транзисторы VT3 (VT4):

(2.6)

По справочнику [11] выбран транзистор KT817Б со следующими параметрами:

- максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе;

- максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эммитером;

- максимально допустимый постоянный ток коллектора;

- коэффициент передачи тока базы минимальный;

- максимально допустимая температура перехода;

- тепловое сопротивление подложка-корпус;

- обратный ток коллектора.

Выходные и входные характеристики изображены на рисунках 3 и 4.

После предварительного выбора транзисторов VT3 и VT4 нужно проверить их мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды по формуле:

(2.7)

где - номинально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора при максимальной температуре коллекторного перехода, Вт
;

где tв
- верхнее значение диапазона рабочих температур, °
С.

Поскольку , то выбранные транзисторы подходят.

Выбор режима работы по постоянному току и построение линий нагрузки. Ток покоя коллектора I0
k3
транзисторов VT3 и VT4:

(2.8)

где Ik
о
max
(50°
C) =1500мкА
берётся в справочнике [11].

I0
k3
<
Ik
доп
- это значит, что транзисторы выбраны правильно.

На семействе выходных характеристик транзисторов VT3 (VT4) строятся нагрузочные прямые по переменному току с координатами (см. рис.2.2):

А (I0k3
; E
п
); В (I0k3
+Ikm3
; E
п
-Ukm3
); (2.9)

А (30мА
; 15В
); В (0.88А
; 1.74В
);

Соответствующие значения токов переносятся на входные характеристики (рис.2.3): Uб
m3
=0,54В
- амплитудное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; U0б3
=0,6В
- напряжение покоя базы; Uб3
max
=1,14В
- максимальное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; Iб
m3
=57мА
- амплитудное значение тока базы; I0б3
=1,78мА
- ток покоя базы; Iб3
max
=55.22мА
- максимальное значение тока базы.

Входное сопротивление базо-эмиттерного перехода транзисторов VT3 (VT4):

(2.10)

Номинал резисторов R3
и R4
для мощных транзисторов:

(2.11)

Мощность, выделяемая на резисторах R3
и R4
:

(2.12)

Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по постоянному току. Построение линии нагрузки

Ток покоя эмиттера транзисторов VT1 (VT2) (см. рис.1.1):

(2.13)

Амплитудное значение тока эмиттера транзисторов VT1 (VT2):

(2.14)

Принимается . По следующим неравенствам выбираются транзисторы VT1, VT2:

По справочнику [11] выбраны транзисторы KT814Б (p-n-p) и КТ815Б (n-p-n) со следующими параметрами:

Для построения линии нагрузки по переменному току транзисторов VT1 (VT2) выбираются следующие координаты точек A’ и A”:

, (2.15)

.

Переносим точки A’ и A" на входные характеристики транзисторов VT1 (VT2) (рис.2.4).

По графику (рис.2.4) определяются следующие параметры:

- амплитудное значение напряжения на базе;

- амплитудное значение тока базы;

- ток покоя базы транзистора;

- напряжение покоя базы.

Определение основных параметров выходного каскада

Выходное сопротивление базо-эмиттерного перехода транзистора VT1 (VT2):

(2.16)

Входное сопротивление верхнего плеча выходного каскада на VT1 и VT3:

(2.17)

Входное сопротивление нижнего плеча выходного каскада на VT2 и VT4:

(2.18)

Амплитудное значение входного напряжения:

- верхнего плеча (VT1,VT3):

(2.19)

- нижнего плеча (VT2,VT4):

(2.20)

Требуемое падение напряжения Uод
на диодах VD1, VD2 при токе

(2.21)

равно:

(2.22)

По справочнику [4] выбираются диоды. Прямой ток (средний) должен быть больше 0,14мА
, прямое напряжение должно быть больше 1,815В
. Выбирается диод Д7Г со следующими параметрами:

- Средний прямой ток 8мА
;

-При токе 0,27мА
на диоде происходит падение напряжения равное 0.7В
, поэтому необходимо брать 3 диодов.

Сопротивление резисторов R1
и R2
делителя

(2.23)

Мощность, выделяемая на резисторах R1
и R2
:

(2.24)

Входное сопротивление верхнего плеча каскада с учетом R1
и R2
:

(2.25)

Входное сопротивление нижнего плеча каскада:

(2.26)

Коэффициент усиления по напряжению:

- верхнего плеча:

(2.27)

- нижнего плеча:

(2.28)

- среднее значение:

(2.29)

Коэффициент полезного действия всего каскада:

(2.30)

Мощность на выходе каскада:

(2.31)

Поправка к схеме

Выбирается транзистор VT0 КТ3102А со следующими параметрами:

Мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды (см. формулу 2.7):

Поскольку , то выбранный транзистор подходит.

Определяются следующие токи:

Нахождение сопротивления Rэ
и Cэ
:

(2.32)

(2.33)

Мощность, выделяемая на резисторе Rэ
:

(2.34)

Определение сопротивлений R’ и R”:

(2.35)

(2.36)

Мощность, выделяемая на резисторах R’
и R”
:

(2.37)

Уточнённое значение мощности рассеивания одним транзистором VT3 (или VT4):

(2.38)

Тепловое сопротивление корпус-среда:

(2.39)

Площадь радиатора:

(2.40)