Расчет усилителя низкой частоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра промышленной электроники

Курсовая работа

по курсу

“Аналоговая схемотехника ”

”Расчет усилителя низкой частоты ”

Выполнил:

студент группы ФЭ-21

Подопрыгора А.А

Проверил:

Гриненко В.В

Сумы 2005г.

Содержание

Введение

1 Выбор типа выходного каскада

2 Расчет выходного каскада

3 Расчет фазоинверсного каскада

4 Выбор типа входного каскада

5 Расчет каскада предварительного усиления

6 Расчет входного каскада

7 Расчет цепей фильтрации по питанию

8 Расчет коэффициента гармоник выходного каскада и обратной связи

9 Расчет элементов связи

Вывод

Список литературы

Введение

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности). Энергия, затрачиваемая на управление усилителя обычно намного меньше выходной. Усилители часто выполняют на биполярных и полевых транзисторах, электронных лампах, туннельных диодах и других элементах, имеющих ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Коэффициент усиления - отношение выходных параметров усилителя к входным (Ku=Uвых/Uвх). Входное и выходное сопротивления важны для согласования усилителя с нагрузкой и генератором входного сигнала.

Обратной связью называется передача сигнала из выходной цепи усилителя во входную. Цепь, обеспечивающая передачу называется цепью обратной связи. Обратная связь может быть положительной или отрицательной, организовываться по току и по напряжению.

Применение трансформаторного выходного каскада обусловлено выбором напряжения питания и величиной сопротивления нагрузки. Данный каскад работает в режиме В (в нём смещение на базах транзисторов равно нулю). Нелинейные искажения каскада существенно уменьшаются, так как начальный нелинейный участок характеристики транзистора. Транзисторы в каскаде открываются поочерёдно. Выходная мощность каскада равна: Рвых= UкмIкм/2.

Построение нагрузочной прямой определяется как совокупность точек пересечения кривых семейства ВАХ нелинейного активного прибора и ВАХ линии нагрузки. Рабочую точку выбирают исходя из режимов в которых работает активный прибор, а также из заданных амплитуд выходных напряжений и токов.

1. Выбор типа выходного каскада

Тип выходного каскада выбирается исходя из необходимой величины напряжения питания.

Амплитудное значение коллекторного напряжения нагрузки:

где - эффективное напряжение на нагрузке, В.

Амплитуда импульса тока нагрузки:

Необходимое напряжение источника питания:

КТ815

КТ816

КТ819

где - внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения, определяется по выходной характеристике транзисторов.

Полученное значение принадлежит диапазону: выбираем трансформаторный выходной каскад с напряжением питания .

2. Расчет выходного каскада

Рис. 2.1. Трансформаторный выходной каскад.

Выбор выходных транзисторов

Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора VT1(VT2) (см. рис.2.1.):

где Uн эффективное значение напряжения на нагрузке в В.

Амплитуда коллекторного тока транзистора VT1(VT2):

Мощность, выделяемая каскадом в нагрузке:

Необходимое напряжение источника питания:

где k1 = (1,011,1) коэффициент запаса по напряжению;

rнас = (0,11)Ом внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения.

Выберем напряжение источника питания равным Еп = 15В.

Мощность, отдаваемая транзисторами в нагрузку:

где тр - КПД выходного трансформатора.

Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

По следующим неравенствам выбираем транзисторы VT1(VT2):

По справочнику [11] выбран транзистор KT817А со следующими параметрами:

Pкдоп25С = 25Вт максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе;

Uкэдоп = 40В максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эммитером;

Iкдоп = 3А максимально допустимый постоянный ток коллектора;

h21эmin = 25 минимальный статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эммитером;

Тпдоп = 150С максимально допустимая температура перехода;

тепловое сопротивление подложка-корпус;

Iк0 = 0,1мА обратный ток коллектора.

После предварительного выбора транзисторов VT1 и VT2 необходимо проверить их мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды по формуле:

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

где tв верхнее значение диапазона рабочих температур.

Поскольку Pкдоп > Pк1 , то выбранные транзисторы подходят для выходного каскада.

Расчет режима транзистора по постоянному и переменному токам

Амплитудное значение переменной составляющей коллекторного напряжения:

Uкm = 0,85Еп = 0,915 = 12,75(В).

Коэффициент трансформации выходного трансформатора:

Амплитуда переменной составляющей тока коллектора:

Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки:

Ток покоя коллектора I0k1 транзисторов VT1 и VT2:

Должно выполняться условие:

Iкдоп (1,151,2)(I0к+Iкm),

где (1,151,2) - коэффициент запаса по току.

Видим, что 3А 1,15(0,2+1,76) = 2,23А это значит, что транзисторы выбраны правильно.

Максимальная суммарная колебательная мощность, выделяемая в эммитерной и коллекторной цепях:

где k4 = (0,030,1) - коэффициент, задающий соотношение мощностей, выделяемых в эммитерной и коллекторной цепях.

Эквивалентное сопротивление, характеризующее суммарную нагрузку для переменных составляющих токов в коллекторной и эммитерной цепях:

Сопротивления в коллекторной и эммитерной цепях:

где - коэффициент передачи тока эммитера для выбранного транзистора.

Активное сопротивление половины первичной обмотки выходного трансформатора:

r1п = 0,59(1-тр)Rк = 0,59(1-0,8)6,9 0,81(Ом).

Напряжение коллектор-эммитер в режиме покоя:

U0к = 1,1(Uкт+Iкт rнас) = 1,1(12,75+1,060,1) 14,22(В),

где 1,1 - коэффициент запаса по напряжению.

Для надежной работы транзистора необходимо, чтобы:

U0к 0,45Uкэдоп , то есть 14,22В 0,4540 = 18В. Значит, транзистор выбран правильно.

Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе одного транзистора при Uвх = 0,64Uвхmax:

Для определения коэффициента температурной нестабильности каскада SВК по рассчитанным значениям I0к, U0к, Iкт и Uкт строится нагрузочная характеристика по переменному току (рис. 2.2. и рис. 2.3.).

Для нахождения точки Б необходимо к напряжению U0к добавить напряжение I0к(r1п+-1Rэ). Через точки A0 и Б проводится нагрузочная характеристика по постоянному току. В результате параллельного смещения нагрузочной характеристики по переменному току вверх по нагрузочной характеристике для постоянного тока определяется значение приращения тока коллектора транзистора IкТ, которое можно допустить при его нагреве.

IкТ 0,3А.

Допустимая нестабильность каскада, обусловленная изменением I0к от температуры:

где IТ = Iк0 t - Iк0 25С - приращение обратного тока коллектора;

где 1 = 0,11град-1 - температурный коэффициент обратного коллекторного тока для кремниевых транзисторов;

tп = tпmax-20 = 70-20 = 50(С) - температура перегрева коллекторного перехода.

Фактический коэффициент нестабильности каскада:



Рис. 2.2. Выходные характеристики транзистора КТ817.

где

Выходной каскад термоустойчив, если выполняется система неравенств:

Меньшее значение может привести к низкоомным сопротивлениям базовых цепей транзисторов и, соответственно, снижению коэффициента усиления каскада. Поэтому первоначально целесообразно принять среднее значение .



Рис. 2.3. Входные характеристики транзистора КТ817.

Расчет элементов цепи смещения

Путем переноса точек A0 и A1, с выходной характеристики на входную, снятую при |Uкэ|>0 (рис. 2.3.), определяются следующие параметры:

U0б = 0,73В - напряжение на базе транзистора в режиме покоя;

Uбт = 0,07В - амплитуда переменной составлящей базового напряжения;

Uбmax = 0,8В - максимальное напряжение на базе;

I0б = 2мА ток покоя базы;

Iбm = 118мА - амплитуда переменной составлящей базового тока;

Iбmax = 120мА максимальное значение тока базы.

Напряжение в средней точке базового делителя в режиме покоя (пренебрегая падением напряжения на вторичной обмотке входного трансформатора):

Постоянная составляющая тока через резистор R2:

Iдел = (0,52,0)Iбт = 1,1511810-3 135,7(мА).

Сопротивления R2 и R1 в цепи делителя:

Расчет входной цепи каскада

Амплитудное значение входного напряжении

Входное сопротивление каскада:

где входное сопротивление транзистора.

Входная мощность каскада:

Коэффициент усиления каскада по напряжению:

Расчет КПД каскада для максимального входного сигнала

Среднее значение тока, потребляемого одним транзистором:

I0 = 0,32[Iкт+(-1)I0к] = 0,32[1,76+(-1)0,2] 0,7(А).

Мощность, потребляемая коллекторной цепью двух транзисторов:

Р0к = 2ЕпI0 = 2150,7 21,05(Вт).

Мощность, потребляемая цепью смещения:

Р0см = ЕпIдел = 150,14 2,03(Вт).

КПД каскада:

3. Расчет фазоинверсного каскада

Рис. 3.1. Фазоинверсный каскад.

Исходными величинами для расчета каскада являются сопротивление нагрузки и максимальная амплитуда напряжения на нагрузке. Этими значениями для фазоинверсного каскада являются параметры входной цепи выходного каскада, и .

Выбор транзистора

Выбор транзистора производится по соотношению

где мощность, отдаваемая транзистором в нагрузку, то есть во входную цепь выходного каскада;

мощность на входе выходного каскада;

тр - КПД трансформатора фазоинверсного каскада.

По справочнику [11] выбран транзистор KT503Д со следующими параметрами:

Pкдоп25С = 500мВт максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе;

Uкэдоп = 60В максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эммитером;

Iкдоп = 300мА максимально допустимый постоянный ток коллектора;

h21эmin = 40 минимальный статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эммитером;

Iк0 25С = 1мкА обратный ток коллектора.

Выбираем напряжение источника питания равным Еп = 15В.

Расчет режима работы

Амплитудное значение переменной составляющей коллекторного напряжения:

где

Uкэmin = (0,51)В = 1В;

Uэ (0,10,3)Еп = 0,2Ек = 0,215 =3(В);

Uкэ (0,150,2)Uэ = 0,1753 = 0,525(В).

Напряжение коллектор-эммитер в режиме покоя:

Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки:

Амплитуда переменной составляющей тока коллектора:

Ток покоя коллектора:

где

Тогда:

Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:

Расчет параметров цепи стабилизации режима и цепи смещения

Коэффициент передачи тока эммитера:

Сопротивление эммитерной цепи:

Сопротивления Rб1 и Rб2 в цепи делителя:

где SФИК = (510) - коэффициент нестабильности фазоинверсного каскада.

Расчет входной цепи каскада

Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эммитером:

где rб = (100200)Ом - сопротивление базового слоя;

где Т = 25,6мВ для tв = 20С;

m = 2 для кремниевых транзисторов.

Для уменьшения влияния разброса параметров транзистора на коэффициент усиления в эммитерную цепь вводят сопротивление Rэ1, не блокируемое конденсатором. Это сопротивление обычно принимают в пределах Rэ1 = (15)rэ. Тогда:

Амплитудное значение входного напряжения:

где - входное сопротивление каскада;

Тогда:

Входная мощность каскада:

Амплитудное значение входного тока:

Коэффициент усиления каскада по напряжению:

4. Выбор типа входного каскада

Выбор типа входного каскада производится исходя из условия:

где - входное сопротивление входного каскада;

- выходное сопротивление источника сигнала.

Определим входное сопротивление каскада собранного на транзисторе КТ3102А включенного по схеме с общим эмиттером.

Задаемся режимом работы по постоянному току . Величину определим для максимального значения по графику зависимости .

Значение тока базы покоя транзистора:

=

где - минимальный коэффициент тока базы.

По входной характеристике для по значению определим

. =0,63 (В)

Вычисляем :

=

Определяем входное сопротивление транзистора:

=

Задаемся потенциалами эмиттера и коллектора:

Задаемся током делителя:

=

Значение сопротивлений делителя:

Входное сопротивление входного каскада:

Проверяем выполнение условия

.

Условие не выполняется переходим к расчету входного каскада для транзистора включенного по схеме с общим коллектором.

Для полученных значений (схема общий эмиттер) определяем входное сопротивление транзистора:

=+225)(101)=24351(Ом)

Входное сопротивление входного каскада:

Проверяем выполнение условия

.

4894>20000

Условие не выполняется, входной каскад строится на полевом транзисторе.

5. Расчет каскада предварительного усиления

Рис. 5.1. Схема каскада предварительного усиления

Выбираем транзистор КТ315А со следующими параметрами:

Iкmax = 100мА;

Uкэmax = 20В;

Uбэmax = 5В;

Pкmax = 150мВт;

h21эmin = 20.

Ток покоя эммитера находим по графику зависимости h21э = f(Iэ) из справочника [11]:

I0э = 10мА.

Напряжение питания каскада берем равным Eп = 15

Ток покоя базы:

Постоянная составляющая тока делителя:

Сопротивление эммитерной цепи:

Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эммитером:

где

сопротивление базового слоя;

где Uбэ = 0,66В находим по входным характеристикам при I0б = 0,5мА и Uкэ = = 5В из справочника [11]. Тогда:

Напряжение в средней точке базового делителя в режиме покоя:

Сопротивление резисторов R1 и R2 делителя:

Сопротивление коллекторной цепи:

Входное сопротивление каскада:

Выходное сопротивление каскада (учитывая, что rк>>Rк):

Амплитуды токов базы и коллектора:

Амплитудные значения напряжений на базе и коллекторе:

Коэффициент усиления по напряжению каскада:

Учитывая коэффициент запаса (), можно окончательно записать коэффициент усиления по напряжению для промежуточного каскада:

6. Расчет входного каскада

Рисунок 6.1 - Усилительный каскад общий исток.

Выбираем транзистор КП303В со следующими параметрами:

Iс max = 20мА;

Uси max = 50В;

Uбэmax = 5В;

Pmax = 200мВт;

Iут = 1нА

S=2 мА/В

Напряжение питания каскада берем равным Eк = Eп -1= 15-1 14(В) из-за дополнительного падения напряжения на низкочастотном развязывающем фильтре.

Резистор Rф и конденсатор Сф служат для устранения положительной обратной связи, возникающей вследствие конечного внутреннего сопротивления источника питания усилителя. Внутреннее сопротивление источника питания приблизительно равно 0,01Ом. На шине Eп возникает пульсация напряжения, вызываемая током выходного транзистора усилителя. Протекает большой ток. Если не принять дополнительных мер, то эти пульсации напряжения будут передаваться на вход транзистора VT в этом случае может образоваться положительная обратная связь, которая приведёт к самовозбуждению (генерации колебаний) усилителя. Для предотвращения этого отрицательного эффекта и применяется низкочастотный фильтр.

Определим сопротивление :

Коэффициент усиления по напряжению входного каскада:

25,3

7. Расчет цепей фильтрации по питанию

Реальный источник питания усилителя имеет внутреннее сопротивление =0,1 (Ом).

Поэтому на клемме подключения источника питания к усилителю возникают пульсации напряжения , вызванные токами коллекторов транзисторов выходного каскада .

При непосредственном подключении входного каскада и каскадов предварительного усиления к источнику питания эти пульсации напряжения могут вызвать самовозбуждение усилителя. Для развязки по питанию применяются RC - фильтры, или цепи с гасящим сопротивлением R1 и стабилитроном VD1, шунтированным конденсатором C1 (22 - 47 нФ).

Выбор каскадов, для которых необходимо применить развязку, и типа схем развязки выполняется следующим образом. Сначала определяют амплитуды полезного сигнала , далее рассчитывают напряжение пульсаций на источнике питания: каскад транзистор усилитель частота

Напряжение пульсаций каскада предварительного усиления, поступающее на его вход через базовый делитель напряжения равно:

- значит развязка по питанию не нужна.

Напряжение пульсаций входного каскада, поступающее на его вход равно:

- значит развязка по питанию нужна.

8. Расчет коэффициента гармоник выходного каскада и обратной связи

Определим коэффициент гармоник выходного каскада:

Точки	Iкmax, А	Iб, мА	Uбэ, В
А	1,48	75	2,23
1	1,4	60	1,9
2	1,2	45	1,61
3	0,97	30	1,3
4	0,7	15	1
B	0,4	5	0,8



Коэффициент гармоник:

Расчет обратной связи

Коэффициент усиления по напряжению получился равным

где коэффициент усиления по напряжению выходного каскада;

коэффициент усиления по напряжению фазоинверсного каскада;

коэффициент усиления по напряжению промежуточного каскада;

коэффициент усиления по напряжению входного каскада.

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:

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):

Коэффициент j:

где R выбирается равным 10Ом, а RОС порядка 10кОм.

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:

1+jK = 180;

Тогда:

В результате требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя (с учетом ООС) будет равен:

9. Расчет элементов связи

Распределение фазовых сдвигов:

Для входного каскада:

Для промежуточного каскада:

Для фазоинверсного каскада:

Для выходного каскада:

Допустимые рабочие напряжения на конденсаторах выбираются из условия:

UCдоп(1,11,2)Ек,

где Eк напряжение питания каскада.

Для выходного, фазоинверсного и предварительного усиления каскадов UCдоп18, а для входного каскада UCдоп17.

Вывод

Целью курсового проекта является овладение методикой и навыками инженерного расчёта усилителя низкой частоты. Проект выполнен в соответствии с учебным планом, календарный план выполнения работы приведён в листе задания.

Исходные данные для расчёта усилителя были приведены в задании. Усилитель рассчитан и приведён как функционально и конструктивно законченное устройство. Число питающих напряжений минимальное. В усилителе предусмотрены контрольные точки для просмотра значений токов и напряжений в наиболее характерных узлах схемы.

Тип входного каскада выбран трансформаторным. Рассчитан также фазоинверсный каскад. Для выходного каскада рассчитан коэффициент гармонических искажений. Обоснована схема входного и предварительного каскадов. Рассчитаны полосы пропускания усилителя, разделительные элементы и фильтры. Электрическая принципиальная схема усилителя приведена как чертёж-приложение.

Список литературы

1. Аронов В.А., Баюков А.В. Полупроводниковые приборы: Транзисторы, справочник. - М.: Энергоиздат, 1982

2. Гальперин Н.В. Практическая схемотехника в промышленниой электронике. - М.: Радио и связь, 1987

3. Гершунский Б.С. Справочник по расчёту электрических схем. - К.: Изд-во при Киев. Ун-те, 1983

4. Гитцевич А.Б., Зайцев А.А. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры. Справочник. - М.: КиБК-а, 1996

5. Горбачёв 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. Дорошков А.В., Полонский А.Д. Методические указания к курсовому проекту «Проектирование усилителя низкой частоты».- Сумы:СФТИ, 1993

9. Дьяконов М.Н., Карабанов В.И. Справочник по электрическим конденсаторам. -М.: Радио и связь, 1983

10. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. -М.: Энергоиздат, 1988

11. Литвиненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. - М.: Радио и связь, 1984

Размещено на Allbest.ru