Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАВДАННЯ

На курсовий проект з дисципліні «Аналогові електроні пристрої»

Призначення пристрою - підсилення потужності сигнала

Номінальна вихідна потужність -

Величина нагрузки -

Нижня гранична частота -

Верхня гранична частота -

Коффіціент нелінійних спотворень -

Величина вхідного сигнала -

Величина опору джерела сигнала -

ЗМІСТ

Вступ

1. Попередній розрахунок підсилювача

1.1 Визначення числа каскадів підсилювача

1.2 Розподіл частотних спотворень

2. Електричний розрахунок каскадів підсилювача

2.1 Розрахунок кінцевого каскаду

2.2 Розрахунок перед-кінцевого каскаду

2.3 Розрахунок драйверного каскаду

3. Розрахунок нелінійних спотворень

3.1 Розрахунок нелінійних спотворень кінцевого каскаду

3.2 Розрахунок нелінійних спотворень перед-кінцевого каскаду

3.3 Розрахунок нелінійних спотворень драйверного каскаду

4. Розрахунок потрібної глибини ЗЗ та вибір додаткового каскаду

5. Розрахунок регулятора тембру

6. Розрахунок регулятора гучності

7. Розрахунок попереднього підсилювача

8. Розрахунок радіатора

9. Висновки

10. Список літератури

ВСТУП

В багатьох областях науки та техніки часто виникає необхідність підсилення електричних коливань (сигналів) різних видів зі збереженням їх форми. Пристрої, призначенні для таких цілей, називають підсилювачами.

Ціль даного курсового проекту ? розробка підсилювача потужності звукових частот.

В першому розділі розраховується число каскадів підсилювача та розподіляються частотні спотворення між каскадами.

В другому розділі виконується покаскадний розрахунок в напрямку від виходу до входу підсилювача, тобто спочатку розглядається кінцевий каскад, потім - передкінцевий, драйверний і, на кінець, каскади попереднього підсилення.

В третьому розділі розраховуються нелінійні спотворення для кожного з каскадів.

В четвертому розділі визначається необхідна глибина зворотнього зв'язку при необхідних запасах стійкості.

В п'ятому, шостому, сьомому і восьмому розділах вибираються схеми пристроїв регулювання тембру та гучності, схема попереднього підсилювача і схема радіатора відповідно та розраховуються їх параметри.

1. ПОПЕРЕДНІЙ РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЧА

1.1 Визначення числа каскадів підсилювача

Визначимо напругу на виході підсилювача (діюча напруга):

(1.1.1)

Максимальна напруга (амплітудна):

(1.1.2)

Приймемо те, що напруга насичення , а відсічення .

Отже, напруга на виході підсилювача дорівнює:

(1.1.3)

Визначимо коефіцієнт передачі:

(1.1.4)

Знайдемо коефіцієнт передачі на середніх частотах:

(1.1.5)

Знайдемо вхідний опір:

(1.1.6)

Знайдемо максимальну вхідну напругу:

(1.1.7)

Знайдемо вхідну напругу:

(1.1.8)

Визначимо коефіцієнт передачі по напрузі:

,

(1.1.9)

Щоб визначити повний коефіцієнт передачі по напрузі, необхідно враховувати коефіцієнт втрат, який складається з впливу зворотнього зв'язку, й дорівнює 40дБ та впливу вхідних ланцюгів, й дорівнює 6дБ:

(1.1.10)

Визначимо потужність, яку необхідно подати на вхід підсилювача:

(1.1.11)

Визначимо коефіцієнт передачі по потужності:

 (1.1.12)

(1.1.13)

Знайдемо повний коефіцієнт передачі по потужності, при цьому врахуємо, що втрати на зворотній зв'язок і вхідні ланцюги в 2 рази менше:

(1.1.14)

Нехай схеми кінцевого та передкінцевого каскадів включені за схемою зі спільним колектором, тоді отримаємо:

, ,

де .

Отримаємо :

,

(1.1.15)

Для схеми з спільним емітером отримаємо:

(1.1.16)

(1.1.17)

(1.1.18)

(1.1.19)

Визначимо кількість каскадів підсилювача:

(1.1.20)

(1.1.21)

Вибираємо більше серед та і отримаємо, що загальне число каскадів буде 7.

1.2 Розподіл частотних спотворень

(1.2.1)

(1.2.2)

На ВЧ в підсилювачі потужності суттєві частотні спотворення вносить драйверний каскад, тому:

(1.2.3)

(1.2.4)

(1.2.5)

(1.2.6)

(1.2.7)

(1.2.8)

(1.2.9)

(1.2.10)

Побудуємо структурну схему підсилювача потужності (рис. 1):



Рис. 1 - Структурна схема підсилювача потужності

2. ЕЛЕКТРИЧНИЙ РОЗРАХУНОК КАСКАДІВ ПІДСИЛЮВАЧА

2.1 Розрахунок кінцевого каскаду

В нинішній час широко використовують підсилювач з двотактним безтрансформаторним остаточним каскадом з композитними транзисторами включеними за схемою зі спільним колектором (рис. 2). Безпосереднє підключення навантаження до підсилювача без перехідного трансформатора можливе тільки при його опорі, близькому до оптимального опору колекторного кола.

Рис. 2 - Кінцевий каскад

Знайдемо потужність каскаду, з урахуванням втрат у дільнику ланцюга зворотного зв'язку:

 (2.1.1)

Знайдемо максимальний колекторний струм:

(2.1.2)

(2.1.3)

Визначимо розсіяну потужність:

(2.1.4)

(2.1.5)

Визначимо амплітуду напруги, яка виділяється на навантаженні:

(2.1.6)

Напруга в ланцюзі колектор-емітер дорівнює:

(2.1.7)

Оскільки, напруга насичення , то:

Визначимо напругу живлення:

(2.1.8)

З ряду напруг вибираємо напругу живлення .

Розрахуємо граничну частоту за величиною частотних спотворень в області верхніх частот, випадаючих на даний каскад:

(2.1.9)

Звідси:

(2.1.10)

(2.1.11)

Таким чином виконали вимогу:

Для кінцевого каскаду вибираємо , тоді за таблицею отримаємо:

, , .

Розрахуємо постійний струм:

(2.1.12)

Визначимо струм першої гармоніки:

(2.1.13)

Визначимо середню силу струму:

(2.1.14)

Знайдемо номінальну потужність:

(2.1.15)

Визначимо ККД кінцевого каскаду:

(2.1.16)

Знайдемо вхідний опір:

(2.1.17)

Вхідна потужність дорівнює:

(2.1.18)

Визначимо коефіцієнт підсилення за потужністю:

(2.1.19)

(2.1.20)

Тепер можемо вибрати вихідні транзистори за розрахованими допустимими параметрами:

Вибираємо транзистори КТ818В та КТ819В з параметрами:

Розрахуємо початковий струм бази:

(2.1.21)

Максимальний струм бази:

(2.1.22)

За вхідною характеристикою вибраних транзисторів (рис. 3) знайдемо початкове та максимальне значення напруги база-емітер:



Рис. 3 - Вхідна характеристика вибраних транзисторів

Початкова напруга база-емітер дорівнює:

Максимальна напруга база-емітер дорівнює:

Визначимо вхідну напругу, знаючи, що для транзисторів, які включені за схемою зі спільним колектором:

і

(2.1.23)

2.2 Розрахунок перед-кінцевого каскаду

Для перед-кінцевого каскаду вибираємо , тоді за таблицею отримаємо:

, .

Розрахуємо постійний струм:

 (2.2.1)

Струм першої гармоніки:

(2.2.2)

Визначимо розсіяну потужність:

(2.2.3)

(2.2.4)

Знайдемо максимальний струм колектора:

(2.2.5)

(2.2.6)

Розрахуємо граничну частоту за величиною частотних спотворень в області верхніх частот, випадаючих на даний каскад:

(2.2.7)

Звідси:

 (2.2.8)

(2.2.9)

Транзистори перед-кінцевого каскаду повинні задовольняти вимогам:

Вибираємо транзистори КТ814В і КТ815В з параметрами:

Розрахуємо початковий струм бази:

(2.2.10)

Максимальний струм бази:

(2.2.11)

За вхідною характеристикою вибраних транзисторів (рис. 4) знайдемо початкове та максимальне значення напруги база-емітер:



Рис. 4 - Вхідна характеристика вибраних транзисторів

Початкова напруга база-емітер дорівнює:

Максимальна напруга база-емітер дорівнює:

Визначимо величину опору:

(2.2.12)

Найближче за ГОСТом: .

Розрахуємо вхідний опір:

(2.2.13)

2.3 Розрахунок драйверного каскаду

У якості драйверного каскаду виберемо каскад зображений на рис.5.



Рис. 5 - Драйверний каскад

Визначимо параметри для вибору драйвера:

(2.3.1)

(2.3.2)

(2.3.3)

(2.3.4)

(2.3.5)

Середній струм драйвера:

(2.3.6)

(2.3.7)

 (2.3.8)

Розрахуємо граничну частоту за величиною частотних спотворень в області верхніх частот, випадаючих на даний каскад:

(2.3.9)

Звідси:

(2.3.10)

(2.3.11)

Транзистор драйверного каскаду повинен задовольняти вимогам:

Для драйверного каскаду виберемо транзистор КТ503В, у якого:

Розрахуємо вхідний ланцюг:

(2.3.12)

(2.3.13)

За вхідною характеристикою вибраних транзисторів (рис. 6) знайдемо початкове та максимальне значення напруги база-емітер:

Рис. 6 - Вхідна характеристика вибраних транзисторів

Початкова напруга база-емітер дорівнює:

Максимальна напруга база-емітер дорівнює:

Напруга в ланцюгу база - емітер:

(2.3.14)

Амплітуда струму бази:

(2.3.15)

Розрахуємо вхідний опір:

(2.3.16)

Найближче за ГОСТом для .

Розрахуємо опір колектора:

(2.3.17)

(2.3.18)

Найближче за ГОСТом для , для .

Визначимо ємність:

(2.3.19)

Найближче за ГОСТом: .

3. РОЗРАХУНОК НЕЛІНІЙНИХ СПОТВОРЕНЬ

3.1 Розрахунок нелінійних спотворень кінцевого каскаду

Для побудови навантажувальної прямої знайдемо струм короткого замикання:

(3.1.1)

Зобразимо вхідні (рис. 7) та вихідні (рис. 8) характеристики транзистора КТ819В.

По відомим і можемо побудувати навантажувальну криву.

Рис. 7 - Вхідна характеристика вибраних транзисторів кінцевого каскаду

Рис. 8 - Вихідна характеристика вибраних транзисторів кінцевого каскаду

Щоб побудувати наскрізну динамічну характеристику визначимо ЕРС джерела сигналу з внутрішнім опором , який визначається:

(3.1.2)

Крутизну кінцевого каскаду знайдемо як:

(3.1.3)

Тепер визначимо :

ЕРС джерела розраховується за формулою:

(3.1.4)

Данні заносимо в табл. 1.

Таблиця 1

№ з/п	, А	, мА	, В	, Ом	, B
1	0.92	22	0.77	1.091	0.794
2	1.44	44	0.87	1.091	0.918
3	2.23	66	0.92	1.091	0.992
4	2.7	88	0.93	1.091	1.026
5	2.99	132	0.99	1.091	1.134
6	3.27	176	1.03	1.091	1.222
7	3.53	220	1.03	1.091	1.27
8	3.71	264	1.01	1.091	1.298
9	3.91	308	0.99	1.091	1.326
10	4.07	352	0.97	1.091	1.354

За даними таблиці побудуємо прохідну характеристику (рис. 9):

Рис. 9 - Прохідна характеристика (KT819В)

Розділимо весь діапазон значень на 4 рівні частини, записавши для меж кожної із частин значення :

Розрахуємо гармоніки:

(3.1.5)

(3.1.6)

(3.1.7)

(3.1.8)

(3.1.9)

Перевірка розрахунків:

(3.1.10)

Таким чином, точність розрахунків підтверджено.

Визначимо коефіцієнт нелінійних спотворень за схемою зі спільним емітером:

(3.1.11)

Для схеми зі спільним колектором коефіцієнт гармонік розрахуємо за формулою:

(3.1.12)

Глибина зворотнього зв'язку:

(3.1.13)

Визначимо коефіцієнти та :

(3.1.14)

(3.1.15)

Для коефіцієнта визначимо вихідний опір:

(3.1.16)

(3.1.17)

Отже, знайдемо коефіцієнт :

(3.1.18)

Отже, глибина зворотнього зв'язку становить:

(3.1.19)

Отже, коефіцієнт гармонік для схеми зі спільним колектором становить:

3.2 Розрахунок нелінійних спотворень перед-кінцевого каскаду

Знайдемо струм короткого замикання:

(3.2.1)

Зобразимо вхідні (рис. 10) та вихідні (рис. 11) характеристики транзистора КТ815В.

По відомим і можемо побудувати навантажувальну криву.



Рис. 10 - Вхідна характеристика вибраних транзисторів перед-кінцевого каскаду

Рис. 11 - Вихідна характеристика вибраних транзисторів перед-кінцевого каскаду

Для перед-кінцевого каскаду:

ЕРС джерела розраховується за формулою:

(3.2.2)

Данні заносимо в табл.2.

Таблиця 2

№ з/п	, мА	, мА	, В	, Ом	, B
1	8.8	0.088	0.31	4.5	0.706
2	34.4	0.44	0.39	4.5	2.37
3	51.7	0.88	0.42	4.5	4.38
4	59.1	1.32	0.44	4.5	6.38
5	64.9	1.76	0.44	4.5	8.36
6	71.2	2.2	0.43	4.5	10.33
7	76.2	2.64	0.42	4.5	12.3
8	79.3	3.08	0.4	4.5	14.26
9	82.5	3.52	0.39	4.5	16.23
10	84.7	3.96	0.38	4.5	18.2

За даними таблиці побудуємо прохідну характеристику (рис. 12):

Рис. 12 - Прохідна характеристика (KT815В)

Розділимо весь діапазон значень на 4 рівні частини, записавши для меж кожної із частин значення :

Розрахуємо гармоніки:

(3.2.3)

(3.2.4)

(3.2.5)

(3.2.6)

(3.2.7)

Перевірка розрахунків:

(3.2.8)

Таким чином, точність розрахунків підтверджено.

Визначимо коефіцієнт нелінійних спотворень за схемою зі спільним емітером:

(3.2.9)

Для схеми зі спільним колектором коефіцієнт гармонік розрахуємо за формулою:

(3.2.10)

Глибина зворотнього зв'язку:

(3.2.11)

Визначимо коефіцієнти та :

(3.2.12)

(3.2.13)

Для коефіцієнта визначимо вихідний опір:

(3.2.14)

(3.2.15)

Отже, знайдемо коефіцієнт :

(3.2.16)

Отже, глибина зворотнього зв'язку становить:

(3.2.17)

Отже, коефіцієнт гармонік для схеми зі спільним колектором становить:

3.3 Розрахунок нелінійних спотворень драйверного каскаду

Для драйверного каскаду візьмемо окреме :

(3.3.1)

Для побудови навантажувальної прямої знайдемо струм короткого замикання:

(3.3.2)

Зобразимо вхідні (рис. 13) та вихідні (рис. 14) характеристики транзистора КТ503В.

По відомим і можемо побудувати навантажувальну криву.

Рис. 13 - Вхідна характеристика вибраних транзисторів драйверного каскаду

Рис. 14 - Вихідна характеристика вибраних транзисторів драйверного каскаду

Для драйверного каскаду:

(3.3.3)

Данні заносимо в табл.3:

Таблиця 3

№ з/п	, мА	, мА	, В	, Ом	, B
1	0.569	7	0.245	20.31	0.387
2	1.75	14	0.315	20.31	0.599
3	2.669	21	0.34	20.31	0.767
4	3.5	28	0.365	20.31	0.934
5	4.288	35	0.375	20.31	1.086
6	4.988	42	0.39	20.31	1.243
7	5.469	49	0.41	20.31	1.405
8	5.863	56	0.425	20.31	1.563
9	6.251	63	0.435	20.31	1.715
10	6.563	70	0.455	20.31	1.877

За даними таблиці побудуємо прохідну характеристику (рис. 15):

Рис. 15 - Прохідна характеристика (KT503В)

Розділимо весь діапазон значень на 4 рівні частини, записавши для меж кожної із частин значення :

Розрахуємо гармоніки:

(3.3.4)

(3.3.5)

(3.3.6)

(3.3.7)

(3.3.8)

Перевірка розрахунків:

(3.3.9)

Таким чином, точність розрахунків підтверджено.

Визначимо коефіцієнт нелінійних спотворень за схемою зі спільним емітером:

(3.3.10)

Для схеми зі спільним колектором коефіцієнт гармонік розрахуємо за формулою:

(3.3.11)

Глибина зворотнього зв'язку:

(3.3.12)

Визначимо коефіцієнти та :

(3.3.13)

(3.3.14)

Для коефіцієнта визначимо вихідний опір:

(3.3.15)

(3.3.16)

Отже, знайдемо коефіцієнт :

(3.3.17)

Отже, глибина зворотнього зв'язку становить:

(3.3.18)

Отже, коефіцієнт гармонік для схеми зі спільним колектором становить:

4. РОЗРАХУНОК ПОТРІБНОЇ ГЛИБИНИ ЗЗ ТА ВИБІР ДОДАТКОВОГО КАСКАДУ

Визначимо коефіцієнт гармонік всього підсилювача:

(4.1)

Визначимо необхідну глибину зворотнього зв'язку:

(4.2)

Візьмемо з запасом: разів.

Знайдемо коефіцієнт підсилення зі зворотнім зв'язком:

(4.3)

(4.4)

(4.5)

(4.6)

Розрахуємо коефіцієнти підсилення за напругою, враховуючи зворотній зв'язок, для всіх каскадів:

каскад підсилювач частотний регулятор

(4.7)

(4.8)

 (4.9)

(4.10)

Для того, щоб вибрати додатковий каскад підсилювача необхідно знати у скільки разів :

(4.11)

Отже, оберемо диференційний каскад + спільна база (рис. 16).

Рис. 16 - Додатковий каскад

Визначимо струм колектора:

 (4.12)

Визначимо опір :

(4.13)

Найближче за ГОСТом: .

Визначимо потужність, яка розсіюється на транзисторах диференційного каскаду:

(4.14)

Для додаткового каскаду виберемо транзистор КТ503В, у якого:

Розрахуємо вхідний опір :

(4.15)

(4.16)

Розрахуємо ланцюг зворотнього зв'язку:

 (4.17)

Коефіцієнт передачі ланцюга зворотнього зв'язку:

(4.18)

Звідси знайдемо опір ланцюга зворотнього зв'язку:

(4.19)

Найближче за ГОСТом: .

Розрахуємо ємність:

(4.20)

Найближче за ГОСТом: .

Розрахуємо опір емітера :

(4.21)

Найближче за ГОСТом: .

5. РОЗРАХУНОК РЕГУЛЯТОРА ТЕМБРУ

Виберемо схему активного регулятора тембру, оскільки він на відміну від пасивного містить підсилюючі елементи та забезпечує коефіцієнт передачі, що дорівнює одиниці, при установці движків регуляторів у положення, що відповідають лінійній ділянці частотної характеристики.

У найпростішому випадку активний регулятор тембру може бути побудований на одному транзисторі по схемі з загальним емітером, однак на практиці застосовуються операційні підсилювачі із включенням Т-моста у коло зворотнього зв'язку, оскільки транзисторний каскад не забезпечує достатнього підсилення. Схема такого регулятора подана на рис. 17, а його частотна характеристика на рис. 18.

Рис. 17 - Схема регулятора тембру

Рис. 18 - Частотна характеристика регулятора тембру

Оскільки схема регулятора тембру симетрична, то:

, , .

У випадку, коли максимальні границі регулювання не перевищують 20 дБ , розрахунок можна проводити за формулами:

(5.1)

(5.2)

(5.3)

(5.4)

(5.5)

(5.6)

Нехай . Тоді:

Найближче за ГОСТом: .



Найближче за ГОСТом: .

6. РОЗРАХУНОК РЕГУЛЯТОРА ГУЧНОСТІ

Найпростіший регулятор - це змінний резистор, включений як ділитель напруги перед підсилювачем або після його вхідних каскадів. Розрізняють два види ділителів: паралельний та послідовний.

Схема регулятору гучності зображена на рис. 19.

Рис. 19 - Схема регулятору гучності

Коефіцієнт регулювання гучності складає 30 дБ. Переведемо його із децибел у рази:

(6.1)

Нехай . Тоді:

(6.2)

Найближче за ГОСТом: .

(6.3)

Найближче за ГОСТом: .

 (6.4)

Найближче за ГОСТом: .

7. РОЗРАХУНОК ПОПЕРЕДНЬОГО ПІДСИЛЮВАЧА

Схема попереднього підсилювача зображена на рис. 20.

Рис. 20 - Схема попереднього підсилювача

Резистор обираємо рівним опору джерела сигналу:

(7.1)

Розрахуємо коефіцієнт передачі, який повинен забезпечити попередній підсилювач :

(7.2)

Обираємо .

Оскільки коефіцієнт передачі

, то:

 (7.3)

Розрахуємо розділову ємність :

(7.4)

Ємність .

У якості регуляторів тембру, гучності і попереднього підсилювача використовуємо мікросхему К544УД1А.

8. РОЗРАХУНОК РАДІАТОРА

У довіднику по транзисторам ми можемо знайти наступні данні:

– температура переходу: ,

– допустима температура навколишнього середовища: ,

– тепловий опір перехід-корпус: ,

– тепловий опір корпус-тепловідвід: .

При встановленні транзисторів на спільний радіатор необхідно, щоб транзистори бути ізольовані від радіатору. Транзистори, можна встановити на спільний радіатор, тоді потужність, яку необхідно розсіювати радіатором, потрібно подвоїти.

(8.1)

Також потужність, яку необхідно розсіювати радіатором, можна знайти за формулою:

(8.2)

де - коефіцієнт тепловіддачі,

- площа радіатора.

Нехай . Тоді:

(8.3)

(8.4)

Коефіцієнт тепловіддачі розрахуємо за формулою:

(8.5)

Із формули (8.2) знайдемо площу радіатора:

(8.6)

Найближче за ГОСТом: .

9. ВИСНОВКИ

У результаті виконаного курсового проекту було спроектовано підсилювач потужності низьких частот, який складається з кінцевого, перед-кінцевого та драйверного каскадів. Також було проведено розрахунок регулятора тембру, регулятора гучності, попереднього підсилювача та радіатора. Характеристики підсилювача повністю відповідають технічному завданню.

10. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Методичні вказівки до курсового проектування з курсу «Аналогові електронні пристрої» «Розрахунок кінцевого каскаду» для студентів спеціальності 7.090701/Укл.: В.І.Старцев, О.П.Куценко. - Одеса: ОДПУ, 1998. - 26 с.

2. Методичні вказівки до курсового проектування «Розрахунок нелінійних перекривлень» з дисципліни «Аналогові електронні пристрої» для студентів спеціальності 7.090701 денної та заочної форм навчання./Укл.: В.І.Старцев, О.П.Куценко - Одеса: ОДПУ, 2000 - 13 с.

3. Методичні вказівки до практичних занять та курсового проектування з дисципліни «Аналогові електронні пристрої» на тему «Регулятори гучності та тембру» для студентів спеціальності 7.090701 денної та заочної форм навчання/Укл.: В.І.Старцев, О.П.Куценко. - Одеса: ОНПУ, 2004 - 32 с.

4. Методичні вказівки по курсовому проектуванню «Розрахунок тепловідводів» по дисципліні «Аналогові електронні пристрої» для студентів інституту радіотехніки і телекомунікацій по напрямку 7.090701 «Радіотехніка»/Укл.: В.І.Старцев, О.П.Куценко. - Одеса: ОНПУ, 2004 - 28 с.

5. Дуглас Селф «Проектирование усилителей мощности звуковой частоты. Третье издание» - М.: ДМК Пресс, 2009. - 528 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru