3

Федеральное агентство по образованию

Кафедра «Цифровые радиотехнические системы»

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине

«Схемотехника радиоэлектронных средств»

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине

«Схемотехника электронных средств»

1 Тема работы - электронный усилитель

2 Исходные данные:

Номинальная мощность в нагрузке, Вт 5

Рабочий диапазон частот, кГц 0,51-15

Сопротивление нагрузки, Ом 8

Входное сопротивление усилителя, кОм >5

Тип входа ...................................................................... дифференциальный

Нелинейные искажения, % 1,5

Частотные искажения, дБ 3,0

ЭДС источника сигнала (максимальная величина), мВ 100

Внутреннее сопротивление источника сигнала, Ом 200

3 Содержание основных разделов пояснительной записки.

- Введение, анализ технического задания.

- Эскизный расчет структурной схемы.

- Электрический расчет следующих каскадов:

1 оконечный каскад:

2 промежуточный каскад;

3 входной каскад;

- Конструкторский расчет элементов схемы.

4 Перечень обязательных чертежей

- Электрическая принципиальная схема;

- Перечень элементов;

Дата выдачи задания

Руководитель ____

Студент

Аннотация

Электронный усилитель

Список литературы - 8 наименований

Графическое приложение - 1 лист ф. А3

По заданным данным (ТЗ) был разработан электронный линейный усилитель, усиливающий заданную мощность.

Содержание

Техническое задание

Аннотация

1 Анализ технического задания

2 Эскизный расчет

3 Расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет выходного каскада

3.2 Расчет промежуточного каскада усилителя

3.3 Расчет входного каскада

4 Конструкторский расчет

4.1 Расчет разделительных конденсаторов

4.2 Расчет мощности рассеиваемой на резисторах

4.3 Расчет общего тока потребления

Список литературы

1 Анализ технического задания

Оконечный каскад.

Выходная мощность в техническом задании равна 10 Вт, поэтому в качестве выходного каскада выберем двухтактный каскад. Так как сопротивление нагрузки 8 Ом (меньше 100 Ом), то выходной каскад будет безтрансформаторным

Промежуточный каскад.

Промежуточным каскадом выберем каскад с общим эмиттером. Для обеспечения начального напряжения смещения между базой и эмиттером включим схему делителя.

Входной каскад.

Так как заданно входное сопротивление >5 кОм в качестве входного каскада будем использовать дифференциальный каскад на полевых транзисторах.

2 Эскизный расчет

Рассчитаем основные параметры:

Номинальная мощность в нагрузке: P_н=10 Вт.

Мощность, приходящаяся на одно плечо двухтактного каскада:

P_~п=10/2=5 Вт.

Максимальная рассеиваемая мощность одного плеча:

P_{рас. max} =0,5·P_~п=0,5·5=2,5 Вт.

Максимальный ток коллектора равен:

(1)

где Rн - заданное сопротивление нагрузки, Ом.

Тогда напряжение на нагрузке:

,

где P_н- номинальная мощность в нагрузке, R_н - заданное сопротивление нагрузки.

Найдем сквозной коэффициент усиления:

,

где - напряжение на нагрузке, E_u- ЭДС источника сигнала. Множитель 1,5 взят для запаса.

Так как выходной каскад включен по схеме с общим коллектором, то коэффициент усиления по напряжению: K_U ? 1. Чтобы получить необходимо в схему усилителя включить промежуточный каскад усиления с .

Пусть половина линейных искажений приходится на оконечный каскад (), а остальная часть остается на остальные каскады().

дБ;

Так как , находим ;

дБ

Так же найдем .

3 Расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет выходного каскада

Подберем необходимый транзистор исходя из следующих условий:

P_{К max}> P_{рас. max},

I_{К max}> I_{К max.}

где P_{К max}- постоянная рассеиваемая мощность коллектора, I_{К max}- постоянный ток коллектора. (P_{рас. max} =1,25 Вт, I_{К max} =1,11 А - рассчитанны в пункте 3)

Выбираем по пару комплиментарных транзисторов:

VT6 - КТ816А (p-n-p)

VT5 - КТ817А (n-p-n)

Их основные параметры:

1 Постоянный ток коллектора,I_кмах= 3 А

2 Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, U_кэмах=25 В

3 Постоянная рассеиваемая мощность коллектора P_К.MAX=25 Вт

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора транзисторов КТ816А и КТ817А приведена при работе их с теплоотводом.

Выберем напряжение питания исходя из следующего условия:

2U_кэ.доп. Е_п 2(U_ост.+U_вых), (3)

где U_кэ.доп - максимально-допустимое значение напряжения коллектор - эмиттер для транзисторов КТ816А, КТ817А, U_ост = 1 В - остаточное напряжение для транзисторов КТ816А,КТ817А, U_вых. - заданное выходное напряжение.

90 В Еп 19,8 В

Выбираем напряжение питания равное 40 В.

Построим нагрузочную кривую на графике выходных характеристик транзистора КТ816А.

Рисунок 1. Выходные характеристики

Нагрузочная кривая проходит через точки и

Рисунок 2 Рисунок 3

Используя входные и выходные характеристики транзистора, построим проходную характеристику.

IK, А	0,45	0,75	1,07	1,32
IБ, мА	5	15	30	45
UБЭ, В	0,8	0,88	0,93	0,95

Рисунок 4

Исходя из построенной проходной характеристики, определяем:

I_{к max}= 1,11 А; I_{к min}= 0,37 А

U_{БЭ max}=0,925 В; I_{Б max}= 22 мА

U_{БЭ min}=0,775 В; I_{Б min}= 2,5 мА

Из полученных значений определяем область изменения I_Б и U_БЭ:

U_БЭ= U_{БЭ max}- U_{БЭ min}=0,925-0,775=0,15 В

I_Б= I_{Б max}- I_{Б min}=(22-2,5)·10^-3=19,5 мА

Определим значение входного сопротивления:

Определим коэффициент усиления:

где U_ВХ=U_БЭ - входное напряжение выходных транзисторов, В;

U_ВЫХ - заданное выходное напряжение, В.

Рассчитаем входное сопротивление и коэффициент усиления, с учетом обратной связи.

R_вхос= R_вхоэ (1+·К_и);

где - коэффициент передачи обратной связи

=1 т.к имеется 100% отрицательная обратная связь.

Найдем входное напряжение оконечного каскада:

Рассчитаем g (коэффициент формы тока):

Принимаем g=0,9.

Найдем коллекторное сопротивление транзистора VT4, используется следующее соотношение:

По стандартному ряду сопротивлений выберем R13=470 Ом.

Вычислим коллекторный ток через транзистор VT4, А:

Выберем транзистор исходя из следующих условий:

Выбираем транзистор КТ815Б (n-p-n)

Его основные параметры:

1. Постоянный ток коллектора, I_кмах= 1,5 А

2. Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, U_кэмах=40 В

3. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора 10 Вт

Рисунок 5

Рисунок 6

Используя входные и выходные характеристики транзистора, построим проходную характеристику по формуле:

Полученные результаты внесены в таблицу 1.

Таблица 1.

h21э	74,5	75	75	71	73	72
Iб, мА	0,5	0,53	0,66	0,81	0,95	1,12
Iк, мА	38,2	40	50	60	70	80,8
Uбэ, В	0,7	0,705	0,715	0,725	0,74	0,76

Рисунок 7

С помощью метода пяти ординат, рассчитаем нелинейные искажения, вносимые предоконечным каскадом:

I_{К max}=80,8 мА; I_{К min}=38,2 мА; I₁=73 мА; I₀=64 мА; I₂=50 мА.

Найдем коэффициенты гармоник:

; ; .

Рассчитаем коэффициент нелинейных искажений:

По техническому заданию =1,5%. Чтобы уменьшить нелинейные искажения необходимо ввести отрицательную обратную связь, которая снизит коэффициент нелинейных искажений в глубину обратной связи (А):

Найдем глубину обратной связи:

До введения обратной связи:

где U_вых- напряжение на выходе предоконечного каскада, U_вх- напряжение на входе предоконечного каскада;

U_вх= U_{БЭ max}-U_{БЭ min}

U_вх =0,76-0,7=0,06 В.

Коэффициент усиления обратной связи:

;

где д - коэффициент передачи обратной связи.

Так как д·K_u>>1, то

Рассчитаем сопротивление нагрузки по переменному току для предоконечного каскада:

где R_ВХ.ОС- входное сопротивление оконечного каскада.

Находим сопротивление обратной связи:

По линейке номиналов подбираем R14=12 Ом.

Пересчитаем глубину обратной связи и коэффициент усиления с учетом полученного значения R14

Так как необходимо получить K_uос=5,1 увеличим глубину обратной связи

Произведем расчет с учетом новой глубины обратной связи:

По линейке номиналов подбираем R14=47 Ом

Найдем напряжение на входе предоконечного каскада:

На транзисторе VT4 и на сопротивлении обратной связи происходит падение напряжение:

U_Б0=U_БЭ0+U_R14 ;

U_R14=I_Э0·R14 ;

Так как I_Э0?I_К0 , то U_R14=I_К0·R14=42,5·10^-3·47=1,99 В.

По входной статической ВАХ транзистора определяем, что U_БЭ0=0,73 В.

U_Б0=0,73+1,99=2,72 В

Ток делителя выразим из предположения, что он гораздо больше тока базы:

По линейке номиналов подбираем R12=390 Ом.

По линейке номиналов подбираем R11=560 Ом.

Произведем перерасчет тока делителя с учетом выбранных номиналов резисторов R11 и R12:

Так как входное сопротивление предоконечного каскада представляет собой параллельное включение сопротивления транзистора VT4, R11 и R12.

найдем I_Б - амплитуду тока базы;

I_Б= I_{Б max} - I_{Б min}=(1,12-0,5)·10^-3=0,62 мА

рассчитаем сопротивление транзистора:

с учетом обратной связи сопротивление транзистора VT4:

Обеспечение рабочей точки транзисторов оконечного каскада осуществляется с помощью диода, включенного в прямом направлении.

Выбор диода производим исходя из следующих условий:

,

где - напряжение на диоде, - напряжение смещения.

Напряжение смещения находим из проходной характеристики транзистора оконечного каскада:

В

Выбираем диоды Д229А в количестве 4шт со следующими параметрами: U_пр=0,4 В; I_обр=50 мкА; U_обр=200 В; I_пр=400 мА;

3.2 Расчет промежуточного каскада усилителя

Так как сквозной коэффициент усиления равен 134,1 а коэффициент усиления предоконечного каскада равен 4,95.

Для получения заданного коэффициента усиления нам необходим каскад предварительного усиления с коэффициентом усиления K_u=5,2 и входной каскад с коэффициентом усиления K_u?1.

Выберем транзистор КТ315В

Его основные параметры:

1. Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, h_21э=30…120

2. Постоянный ток коллектора, I_кмах= 100 мА

3. Постоянное напряжение коллектор-эмиттер, U_кэмах=40В

4. Постоянная рассеиваемая мощность коллектора 150 мВт

5. Обратный ток коллектора I_{К об}=1 мкА

6. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при I_К=20 мА

U_нас=0,4 В.

7. Емкость коллектора C_К=7 пФ

8. Постоянная времени цепи обратной связи ф_ОС=300 пс.

Введем ограничение по току: пусть I_{К max}=150 мА.

U_кэmin возьмем больше U_нас=0,4. Пусть U_{кэ min}=0,8 В.

Выберем U_R10=(0,1…0,2)·Е_П.

Пусть U_R10=0,15·Е_П=0,15·40=6 В.

Тогда получаем условие:

;

где - напряжение на выходе промежуточного каскада, - обратный ток коллектора.

Так как В, получаем:

мА

Выбираем и мА.

Найдем мощность рассеяния транзистора:

Полученное значение мощности не превысило допустимое (150 мВт).

По линейке номиналов подбираем R9=1 кОм.

Рассчитаем нагрузку каскада по переменному току:

Удостоверимся в возможности этого тока:

,

.

Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:

,

где h_21Э- статический коэффициент передачи тока, h_11Э- входное сопротивление транзистора.

r_БЭ найдем как:

Ом

Ом

Ом

Так как нам необходимо получить усиление каскада K_U=5,2 введем отрицательную обратную связь.

,

где д - коэффициент передачи обратной связи.

Исходя из неравенства, >>1, получаем

;

По линейке номиналов подбираем R10=22 Ом.

Проведем перерасчет коэффициента усиления и глубины обратной связи:

Найдем напряжение на входе каскада:

Ток базы находим из следующей формулы:

мА.

Ток делителя находим из условия

мА.

;

;

где U_R10 - напряжение на резисторе обратной связи;

Так как для кремниевых транзисторов В

По линейке номиналов подбираем R8=27 Ом.



По линейке номиналов подбираем R7=7,5 кОм.

Проведем перерасчет с полученными значениями R7 и R8

Рассчитаем входное сопротивление каскада. Оно представляет собой параллельное соединение входного сопротивления транзистора VT3 и резисторов R7 и R8.

Найдем входное сопротивление транзистора VT2 с учетом обратной связи:

, где А- глубина обратной связи.

3.3 Расчет входного каскада

Так как необходимо обеспечить большое входное сопротивление, выбираем схему на полевых транзисторах.

Выберем транзистор КП307А, с параметрами:

S=4мА/В (при U_СИ=10 В, U_ЗИ=0 В) - крутизна характеристики,

U_ЗИ.0ТС = 0,5В - напряжение затвор-исток отсечки,

I_З=5мА - ток утечки затвора,

I_C.НАЧ=3мА - начальный ток стока,

U_{СИ.МАКС}=27 В , U_{ЗС.МАКС}=27 В,

P_C.МАКС= 250 мВт.

Рассчитаем ток нагрузки:

Напряжение на нагрузке входного каскада:

Тогда мощность на нагрузке:

Из условия R_вх>5 кОм (по техническому заданию), выберем сопротивления R6 и R1: R1=R6=R_вх/2=8000/2=4000 Ом

Рассчитаем ток и напряжение на входе:

Найдем коэффициент усиления:

Найдем ток стока:

I_{C МАКС} = I_{C НАЧ} = 3 мА

I_{C МИН} = 0,1 · I_{C НАЧ} = 0,3 мА

мА

Найдем сопротивление R5:

По линейке номиналов подбираем R5=12 кОм

Напряжение U_ЗИ.0 выразим из соотношения I_C0 = I_{C НАЧ} = S·U_ЗИ.0 :

Определим токи на сопротивления R1 и R6:

Найдем сопротивления R2 и R4:

Найдем сопротивление R₃:

Из условия получаем R3:

По линейке номиналов подбираем R3 = 62 Ом

4 Конструкторский расчет

4.1 Расчет разделительных конденсаторов

Определим величину разделительного конденсатора C₅

,

где - нижняя частота работы усилителя, М_ок - коэффициент частотных искажений оконечного каскада.

По промышленной линейке конденсаторов выберем: С₅ = 56 мкФ.

Найдем величину разделительного конденсатора C₄:

,

По промышленной линейке конденсаторов выберем С₄ = 2,7 мкФ.

Определим величину разделительных конденсаторов C₃ и C₂:

,

где R_ВХ- входное сопротивление каскада предварительного усиления.

По линейке конденсаторов выберем С₃=С₂=2,58 мкФ.

Определим величину разделительного конденсатора C₁:

,

где - входное сопротивление входного каскада.

Ближайшим значением из промышленной линейки конденсаторов является 62 нФ.

Рассчитаем напряжение на конденсаторах:

В;

В;

В

По справочнику подбираем тип конденсаторов:

	Тип	Номинальное напряжение, В	Номинальная емкость, мкФ	Допуск, %
С1
С2
С3
С4
С5

4.2 Расчет мощности рассеиваемой на резисторах

Мощность, рассеиваемая на резисторах, определяется по следующей формуле:

,

где I - ток через резистор, R - сопротивление резистора.

Рассчитаем эти мощности:

мВт,

мВт,

мВт,

мВт.

мВт,

мВт,

мВт,

мВт.

мВт,

мВт,

мВт.

мВт,

При выборе резисторов, их мощность рассеяния будем брать в 1,5 - 2 раза больше полученной в расчетах.

4.3 Расчет общего тока потребления

Рассчитаем общий ток потребления усилителя. Для этого сложим токи от каждого каскада. Получаем:

мА

Вт

КПД усилителя равен:

%

Список литературы:

1. Войшвилло Г.В. Усилительные устройства: Учеб. для вузов.- 2-е изд.-М.: Радио и связь, 1983- 264 с.

2. Остапенко Г. С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1989.- 400 с.: ил.

3. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учеб. для вузов.- М.: Горячая Линия-Телеком, 2000.- 768 с.:ил.

4. Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие/ Под ред. Н.В. Терпугова. -М.: Высш. школа, 1982- 190 с.: ил.

5. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам./ Под ренд. Н.Н. Горюнова.- М.: «Энергия», 1997.- 744 с.: ил.

6. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам.- 9-е изд., перераб. -К.: Техника, 1980. -464 с.: ил.

7. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА./ Под ред. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков. - Мн.: Беларусь, 1994. -591 с.: ил.

8. Галкин В.И. Полупроводниковые приборы -2-е изд., перераб. и доп. - Мн.: Беларусь, 1987. -285 с.: ил.