Проектирование усилителя низкой частоты
33
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
ВведениеУсилителями 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.
1. Выбор принципиальной схемыНаходим 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
p= (1,11,3) 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 20
дб. (
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 нагрузкуСоставив структурную схему, можно рассчитать выходной и входной каскады.
2. Расчет выходного каскада33
Рисунок 2.1 Бестрансформаторный выходной каскадВыбор 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= (1,011,1) коэффициент запаса по напряжению;
rнас= (0,11) внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения.Выберем напряжение источника питания равным 15
В.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
I0k3 транзисторов VT3 и VT4: (
2.8)где
Ikоmax (50C) =1500
мкА берётся в справочнике [11].
I0k3< Ikдоп 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;
Eп); В (
I0k3+
Ikm3;
EпUkm3); (
2.9)А (30
мА; 15
В); В (0.88
А; 1.74
В);Соответствующие значения токов переносятся на входные характеристики (рис.2.3):
Uбm3=0,54
В амплитудное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе;
U0б3=0,6
В напряжение покоя базы;
Uб3max=1,14
В максимальное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе;
Iбm3=57
мА амплитудное значение тока базы;
I0б3=1,78
мА ток покоя базы;
Iб3max=55.22
мА 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 нагрузкиТок 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 каскадаВыходное 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 0,14
мА, прямое напряжение должно быть больше 1,815
В. Выбирается диод Д7Г со следующими параметрами: Средний прямой ток 8
мА;При токе 0,27
мА на диоде происходит падение напряжения равное 0.7
В, 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 схемеРисунок 2.5 Уточнённый бестрансформаторный выходной каскадВыбирается 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)где
KT=0,00120,014
Втсм2град-1 коэффициент теплоотдачи.
3. Расчет предоконечного каскадаСквозной коэффициент усиления: (
3.1)Рисунок 3.1 Схема предоконечного каскадаПоскольку
Kскв очень большой, то на входе нужны: предоконечный и входной каскады с общим эммитером.Выбирается транзистор VT КТ3102Е со следующими параметрами:Принимается ТогдаДопускается, что напряжение в точке В
UB=24
В. Тогда напряжение в точке А будет .Сопротивление резисторов R1 и R2 делителя: (
3.2)Мощность, выделяемая на резисторах
R1 и
R2: (
3.3)Сопротивление
R4: (
3.4)Мощность, выделяемая на резисторе
R4: (
3.5)Сопротивление
Rэ: (
3.6)где
URэ=
UB/10=3
В.Мощность, выделяемая на резисторе
Rэ: (
3.7) (
3.8)Напряжение база-эмиттер: (
3.9)ЗдесьИз уравнения (3.6) определяется
rб: (
3.10)Входное сопротивление каскада: (
3.11)Сопротивление
Rk: (
3.12)Мощность, выделяемая на резисторе
Rк: (
3.13)Выходное сопротивление каскада (учитывая, что
rk>>Rk): (
3.14)Определение амплитудных токов на базе и коллекторе: (
3.15) (
3.16)Тогда (
3.17) (
3.18)Коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада: (
3.19)4. Расчет входного каскадаСхема входного каскада представлена на рис.5.1.
33
Рисунок 5.1 ? Схема входного каскадаВыбирается транзистор VT КТ3102Г со следующими параметрами:Принимается ТогдаНапряжение в точке А будет .Сопротивление резисторов R1 и R2 делителя: (
5.1)Мощность, выделяемая на резисторах
R1 и
R2: (
5.2)Сопротивление
Rэ: (
5.3)Мощность, выделяемая на резисторе
Rэ: (
5.4) (
5.5)Напряжение база-эмиттер: (
5.6)ЗдесьИз уравнения (3.6) определяется
rб: (
5.7)Входное сопротивление каскада: (
5.8)Сопротивление
Rk: (
5.9)Мощность, выделяемая на резисторе
Rк: (
5.10)Выходное сопротивление каскада (учитывая, что
rk>>Rk): (
5.11)Определение амплитудных токов на базе и коллекторе: (
5.12) (
5.13)Тогда (
5.14) (
5.15)Коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада: (
5.16)5. Уточнение параметров схемы и расчет обратной связиСквозной коэффициент усиления по напряжению получился равным (
6.1)где коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада; коэффициент усиления по напряжению промежуточного каскада; коэффициент усиления по напряжению входного каскада.Сравнивая полученный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с необходимым (3.1), можно сделать вывод, что в схему надо добавить ещё один промежуточный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежуточному каскаду в пункте 4 (иметь те же параметры). Коэффициент усиления по напряжению второго промежуточного каскада будет равен 10,76.Теперь сквозной коэффициент усиления по напряжению будет (
6.2)Для стабилизации режима покоя в каскад вводят обратную связь (ОС). Обратной связью называется передача информации (или энергии) с выхода устройства или системы на его вход.Если на входе складываются сигналы разных знаков, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при этом уменьшается. Однако при применении ООС увеличивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению стабилизирует напряжение, ООС по току стабилизирует ток и т.д.В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя принимает следующий вид: (
6.3)где
K коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи) участка схемы, охватывающего обратную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи): (
6.4)Коэффициент
j: (
6.5)где
R' выбирается 10
Ом, а
RОС порядка 10
кОм.Таким образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, охватывающего ООС, уменьшается в (
1+jK) раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя необходимо уменьшить в раз.Можно записать:Откуда
j=6/
K.Тогда (
6.6)В результате определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен: (
6.7)Сквозной коэффициент усиления по напряжению получился равным (
6.1)где коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада; коэффициент усиления по напряжению промежуточного каскада; коэффициент усиления по напряжению входного каскада.Сравнивая полученный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с необходимым (3.1), можно сделать вывод, что в схему надо добавить ещё один промежуточный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежуточному каскаду в пункте 4 (иметь те же параметры). Коэффициент усиления по напряжению второго промежуточного каскада будет равен 10,76.Теперь сквозной коэффициент усиления по напряжению будет (
6.2)Для стабилизации режима покоя в каскад вводят обратную связь (ОС). Обратной связью называется передача информации (или энергии) с выхода устройства или системы на его вход.Если на входе складываются сигналы разных знаков, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при этом уменьшается. Однако при применении ООС увеличивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению стабилизирует напряжение, ООС по току стабилизирует ток и т.д.В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя принимает следующий вид: (
6.3)где
K коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи) участка схемы, охватывающего обратную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи): (
6.4)Коэффициент
j: (
6.5)где
R' выбирается 10
Ом, а
RОС порядка 10
кОм.Таким образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, охватывающего ООС, уменьшается в (
1+jK) раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя необходимо уменьшить в раз.Можно записать:Откуда
j=6/
K.Тогда (
6.6)В результате определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен: (
6.7)6. Расчет элементов связиРаспределение фазовых сдвигов: Для входного каскада: (
7.1)Для предоконечного и промежуточных каскадов: (
7.2) (
7.3)Для выходного каскада: (
7.4) (
7.5)|
R1, R2, R5, R6, R9, R10, R13, R14 | ВС10,1256,2кОм10% | |
R3, R7, R11, R15 | ВС1168Ом10% | |
R4, R8, R12, R16 | ВС10,530Ом10% | |
R17 | ВС10,1253,9МОм10% | |
R18, R19, | ВС10,125240кОм10% | |
R20 | ВС10,12513кОм10% | |
R21, R22 | ВС10,1251кОм10% | |
Rн | ВС12011Ом10% | |
Rф | ВС1162Ом10% | |
Rос | ВС10,12522кОм10% | |
R' | ВС12010Ом10% | |
С1 | К50650В2мкФ (20+80)% | |
С2, С4, С6, С8 | К50610В10мкФ (20+80)% | |
С3, С5, С7 | К50616В5мкФ (20+80)% | |
С9 | К5093В0,5мкФ (10+100)% | |
С10 | К75421600В0,0033мкФ10% | |
С11 | К50610В50мкФ (20+80)% | |
Сф | К502250В1500мкФ (20+50)% | |
VT1VT5 | KT3102A | |
VT6 | КТ814Б | |
VT7 | KT815Б | |
VT8,VT9 | KT817Б | |
VD1VD6 | Д2Ж | |
|
Литература1. Аронов В.А., Баюков А.В. и др. Полуроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. М.: Энергоиздат, 1982.2. Гальперин Н.В. Практическая схемотехника в промышленной электронике. М.: Радио и связь, 1987.3. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. М.: Наука, 1983.4. Гитцевич А.Б., Зайцев А.А. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник. М.: КубК-а, 1996.5. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988.6. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М: Радио и связь, 1985.7. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. М.: Энергоатомиздат, 1988.8. Доршков А.В., Полонский А.Д. Методические указания к курсовому проекту “Проектирование усилителя низкой частоты". Сумы: СФТИ, 1993.9. Дьяконов М.Н., Карабанов В.И. и др. Справочник по электрическим конденсаторам. М.: Радио и связь, 1983.10. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Энергоатом-издат, 1988., 1982.11. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. М.: Радио и связь, 1984.12. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Энергоатомиздат, 1985.