(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. 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
Управляющий: Дудник А.Б.
Сумы 2002
Содержание
- Введение
- 1. Выбор принципной схемы
- 2. Расчет выходного каскада
- 3. Расчет предоконечного каскада
- 4. Расчет входного каскада
- 5. Уточнение характеристик схемы и расчет оборотной связи
- 6. Расчет частей связи
- Литература
Введение
Усилителями именуют устройства, в каких сравнимо маломощный входной сигнал управляет передачей существенно большей мощности из источника питания в нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в крайние годы усилители в большей степени употребляются в виде готовых неразделимых компонент усилительных ИМС. Простая ячейка, позволяющая выполнить усиление, именуется усилительным каскадом.
электронные сигналы, подаваемые на вход усилителей, могут быть очень многообразны; это могут быть безпрерывно изменяющиеся величины, а именно гармонические колебания, однополярные и двухполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах почти все физические величины постоянны или меняются очень медлительно (напряжение и частота сети, частота вращения мотора, напор воды на гидроэлектростанции). В переходных и в особенности аварийных режимах те же величины могут изменяться в течение малых промежутков времени. Потому усилитель должен владеть способностью усиливать как переменные, так и неизменные либо медлительно изменяющиеся величины. Такие усилители являются более всепригодными и всераспространенными. По традиции их именуют усилителями неизменного тока (УПТ), хотя такое заглавие и не полностью буквально: УПТ усиливают не только лишь постоянную составляющую (приращение сигнала) и в подавляющем большинстве случаев они являются усилителями напряжения, а не тока. В УПТ недозволено связывать источник и приёмник сигнала через трансформаторы и конденсаторы, которые не пропускают неизменной составляющей сигнала. Это условие вызывает некие трудности при разработке УПТ, но оно же определило ещё большее распространение УПТ с возникновением микроэлектроники: УПТ не содержат частей, выполнение которых в составе ИМС нереально (трансформаторы и конденсаторы большенный ёмкости).
вместе с применением основного типа усилителей УПТ в ряде всевозможных случаев оказывается целесообразным внедрение усилителей с ёмкостной связью. Применение ёмкостной связи меж каскадами усилителей в истинное вышло из потребления, потому что конденсаторы с большенный ёмкостью неосуществимы в виде частей ИМС.
Достоинством усилителей с ёмкостной связью является отсутствие дрейфа нуля: конденсаторы не пропускают неизменной составляющей, в том числе напряжение дрейфа.
1. Выбор принципной схемы
Находим наивысшую 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 припаса по мощности;
мощность, выделяемая в нагрузку.
Выразим коэффициент усиления в децибелах по формуле:
(1.3)
Определим приблизительное число каскадов, считая, что любой каскад может обеспечивать усиление мощности приблизительно на 20дб.
(1.4)
Составим структурную схему (набросок 1.1):
Набросок 1.1 Структурная схема усилителя: ВхК входной каскад, обеспечивающий основным образом согласование с источником сигнала; ПК (Персональный компьютер — компьютер, предназначенный для эксплуатации одним пользователем) промежный каскад; ПОК предоконечный каскад; ВК выходной сигнал, работающий конкретно на нагрузку
Составив структурную схему, можно высчитать выходной и входной каскады.
2. Расчет выходного каскада
33
Набросок 2.1 Бестрансформаторный выходной каскад
Выбор выходных транзисторов.
Амплитудное 2.1)
где Uн действенное В.
Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора VT3 (VT4):
(2.2)
Мощность, выделяемая каскадом в перегрузке:
(2.3)
Нужное напряжение источника питания:
(2.4)
где k1= (1,011,1) коэффициент припаса по напряжению;
rнас= (0,11) внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения.
Выберем напряжение источника питания равным 15В.
Приблизительная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:
(2.5)
По последующим неравенствам избираем транзисторы VT3 (VT4):
(2.6)
По справочнику [11] избран транзистор KT817Б со последующими параметрами:
очень допустимая неизменная рассеиваемая мощность на коллекторе;
очень допустимое неизменное напряжение меж коллектором и эммитером;
очень допустимый неизменный ток коллектора;
коэффициент передачи тока базы малый;
очень допустимая температура перехода;
термическое сопротивление подложка-корпус;
оборотный ток коллектора.
Выходные и входные свойства изображены на рисунках 3 и 4.
Опосля подготовительного выбора транзисторов VT3 и VT4 необходимо проверить их мощностные характеристики при большей температуре окружающей среды по формуле:
(2.7)
где номинально допустимая неизменная рассеиваемая мощность коллектора при наибольшей температуре коллекторного перехода, Вт;
где tв верхнее работы по неизменному току и построение линий перегрузки. ток покоя коллектора I0k3 транзисторов VT3 и VT4:
(2.8)
где Ikоmax (50C) =1500мкА берётся в справочнике [11].
I0k3< Ikдоп это означает, что транзисторы выбраны верно.
На семействе выходных черт 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 (30мА; 15В); В (0.88А; 1.74В);
Надлежащие значения токов переносятся на входные свойства (рис.2.3): Uбm3=0,54В амплитудное U0б3=0,6В напряжение покоя базы; Uб3max=1,14В наибольшее Iбm3=57мА амплитудное I0б3=1,78мА ток покоя базы; Iб3max=55.22мА наибольшее 2.10)
Номинал резисторов R3 и R4 для массивных транзисторов:
(2.11)
Мощность, выделяемая на резисторах R3 и R4:
(2.12)
Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по неизменному току. Построение полосы перегрузки
ток покоя эмиттера транзисторов VT1 (VT2) (см. рис.1.1):
(2.13)
Амплитудное 2.14)
Принимается . По последующим неравенствам выбираются транзисторы VT1, VT2:
По справочнику [11] выбраны транзисторы KT814Б (p-n-p) и КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)815Б (n-p-n) со последующими параметрами:
Для построения полосы перегрузки по переменному току транзисторов VT1 (VT2) выбираются последующие координаты точек A’ и A”:
, (2.15)
.
Переносим точки A’ и A» на входные свойства транзисторов VT1 (VT2) (рис.2.4).
По графику (рис.2.4) определяются последующие характеристики:
амплитудное 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 2.19)
нижнего плеча (VT2,VT4):
(2.20)
Требуемое падение напряжения Uод на диодиках VD1, VD2 при токе
(2.21)
равно:
(2.22)
По справочнику [4] выбираются диоды. Прямой ток (средний) должен быть больше 0,14мА, прямое напряжение обязано быть больше 1,815В. Выбирается диодик Д7Г со последующими параметрами:
Средний прямой ток 8мА;
При токе 0,27мА на диодике происходит падение напряжения равное 0.7В, потому нужно 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 2.29)
Коэффициент полезного деяния всего каскада:
(2.30)
Мощность на выходе каскада:
(2.31)
Поправка к схеме
Набросок 2.5 Уточнённый бестрансформаторный выходной каскад
Выбирается транзистор VT0 КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)3102А со последующими параметрами:
Мощностные характеристики при большей температуре окружающей среды (см. формулу 2.7):
Так как , то избранный транзистор подступает.
Определяются последующие 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 2.38)
Термическое сопротивление корпус-среда:
(2.39)
Площадь радиатора:
(2.40)
где KT=0,00120,014 Втсм2град-1 коэффициент теплоотдачи.
3. Расчет предоконечного каскада
Сквозной коэффициент усиления:
(3.1)
Набросок 3.1 Схема предоконечного каскада
Так как Kскв весьма большенный, то на входе необходимы: предоконечный и входной каскады с общим эммитером.
Выбирается транзистор VT КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)3102Е со последующими параметрами:
Принимается
Тогда
Допускается, что напряжение в точке В UB=24В. 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=3В.
Мощность, выделяемая на резисторе Rэ:
(3.7)
(3.8)
Напряжение база-эмиттер:
(3.9)
Тут
Из 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 (беря во внимание, 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 каскада
Схема входного каскада представлена на рис.5.1.
33
Набросок 5.1 ? Схема входного каскада
Выбирается транзистор VT КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)3102Г со последующими параметрами:
Принимается Тогда
Напряжение 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)
Тут
Из 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 (беря во внимание, 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 характеристик схемы и расчет оборотной связи
Сквозной коэффициент усиления по напряжению вышел равным
(6.1)
где коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада;
коэффициент усиления по напряжению промежного каскада;
коэффициент усиления по напряжению входного каскада.
Сравнивая приобретенный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с нужным (3.1), можно прийти к выводу, что в схему нужно добавить ещё один промежный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежному каскаду в пт 4 (иметь те же характеристики). Коэффициент усиления по напряжению второго промежного каскада будет равен 10,76.
сейчас сквозной коэффициент усиления по напряжению будет
(6.2)
Для стабилизации режима покоя в каскад вводят оборотную связь (ОС). Оборотной связью именуется передача инфы (либо энергии) с выхода устройства либо системы на его вход.
Если на входе складываются сигналы различных символов, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при всем этом миниатюризируется. Но при применении ООС наращивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению выравнивает напряжение, ООС по току выравнивает ток и т.д.
В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя воспринимает последующий вид:
(6.3)
где K коэффициент усиления по напряжению (без оборотной связи) участка схемы, обхватывающего оборотную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без оборотной связи):
(6.4)
Коэффициент j:
(6.5)
где R‘ выбирается 10Ом, а RОС порядка 10кОм.
Таковым образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, обхватывающего ООС, миниатюризируется в (1+jK) раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя нужно уменьшить в
раз.
Можно записать:
Откуда j=6/K.
Тогда
(6.6)
В итоге определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен:
(6.7)
Сквозной коэффициент усиления по напряжению вышел равным
(6.1)
где коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада;
коэффициент усиления по напряжению промежного каскада;
коэффициент усиления по напряжению входного каскада.
Сравнивая приобретенный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с нужным (3.1), можно прийти к выводу, что в схему нужно добавить ещё один промежный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежному каскаду в пт 4 (иметь те же характеристики). Коэффициент усиления по напряжению второго промежного каскада будет равен 10,76.
сейчас сквозной коэффициент усиления по напряжению будет
(6.2)
Для стабилизации режима покоя в каскад вводят оборотную связь (ОС). Оборотной связью именуется передача инфы (либо энергии) с выхода устройства либо системы на его вход.
Если на входе складываются сигналы различных символов, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при всем этом миниатюризируется. Но при применении ООС наращивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению выравнивает напряжение, ООС по току выравнивает ток и т.д.
В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя воспринимает последующий вид:
(6.3)
где K коэффициент усиления по напряжению (без оборотной связи) участка схемы, обхватывающего оборотную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без оборотной связи):
(6.4)
Коэффициент j:
(6.5)
где R‘ выбирается 10Ом, а RОС порядка 10кОм.
Таковым образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, обхватывающего ООС, миниатюризируется в (1+jK) раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя нужно уменьшить в
раз.
Можно записать:
Откуда j=6/K.
Тогда
(6.6)
В итоге определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен:
(6.7)
6. Расчет частей связи
Распределение фазовых сдвигов:
Для входного каскада:
(7.1)
Для предоконечного и промежных 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
КТ (Компьютерная томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта)814Б
VT7
KT815Б
VT8,VT9
KT817Б
VD1VD6
Д2Ж
Литература
1. 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 электрических 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 электронным конденсаторам. М.: Радио и связь, 1983.
10. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Энергоатом-издат, 1988., 1982.
11. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым устройствам. М.: Радио и связь, 1984.
12. Манаев Е.И. Базы радиоэлектроники. М.: Энергоатомиздат, 1985.
]]>