Проектирование и расчет усилителя низкой частоты интегральной микросхеме К140УД1Б

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

«Элементная база систем автоматики»

на тему:

Проектирование и расчёт усилителя низкой частоты интегральной микросхеме К140УД1Б

выполнил: студент группы АСс/с-18-2-о

Хегай Я.А.

проверил:

Быковский Ю. М.

2021 г.

ЗАДАНИЕ

на выполнение курсового проекта

студенту Хегай Я. А. группы АСс/с-18-2-о

Тема КП: Проектирование и расчёт усилителя низкой частоты

интегральной микросхеме К140УД1Б

Руководитель проекта Быковский Ю. М.

Задание принял к исполнению Хегай Я. А.

ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРУЕМОМУ УСТРОЙСТВУ

Рассчитать и спроектировать усилитель низкой частоты.

Исходные данные для расчёта:

-номинальная мощность, отдаваемая в нагрузку - Рвых = 2 Вт;

-номинальное сопротивление нагрузки RН = 15 Ом;

-амплитудное значение ЭДС источника входного сигнала EC M = 20 мВ;

-внутреннее сопротивление источника сигнала RИСТ = 2 кОм;

-рабочий диапазон частот fH - fB = 80 Гц - 14 кГц;

-допустимые значения коэффициентов частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах МН = 1.5, МВ = 1.6;

-допустимый коэффициент гармоник КГ = 3%;

-рабочий диапазон температур окружающей среды tMIN = -10°C, tMAX = +40°C;

-тип входного каскада - неинвертирующий.

Выбрать структурную схему УНЧ, произвести расчёт каждого каскада в отдельности, привести принципиальную электрическую схему и спроектировать печатную плату усилителя.



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УНЧ

2. РАСЧЁТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УНЧ

3. РАЗРАБОТКА ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЗАДАНИЯ

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УНЧ

5. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ДЛЯ МАНТАЖА СХЕМЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ



ВВЕДЕНИЕ

Усилитель низкой частоты, он же усилитель звуковой частоты - прибор для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому диапазону частот (20 - 20000 Гц) может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или в составе более сложных устройств - телевизоров, музыкальных центров, радио приёмников, радиопередатчиков и т. д.

Можно сказать, что УНЧ используются повсеместно в нашей жизни и поэтом, данная тема будет актуальна ещё довольно долгое время.

Задача: необходимо, в рамках данного проекта, сконструировать УНЧ, который будет соответствовать параметрам, которые заданы в проектном задании (требования к проектному устройству см. выше).



1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УНЧ

Из полученного задания видно, что мощность, рассеиваемая на нагрузке, должна составлять 2 Вт. То-есть усилитель должен иметь мощность не менее 2-х Ватт. Так же желательно чтобы УНЧ обладал небольшим запасом по мощности, допустим 0.5 Вт. И того, получается, что мощность УНЧ должна составлять 2.5 Вт.

В справочной литературе указывается, что максимальный ток и напряжение на выходе ИМС К140УД1Б - 3 мА и 5.7 В соответственно. То-есть максимальная мощность, при которой ИМС будет работать в нормальных условиях - 17.1 мВт. Это говорит о том, что одного каскада УНЧ на ИМС будет недостаточно. Необходимо добавить выходной каскад на транзисторах, который позволит достичь необходимой мощности на выходе УНЧ.

Получаем следующую структурную схему

Рисунок 1. Структурная схема УНЧ.



2. РАСЧЁТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УНЧ

Амплитудное напряжение на выходе усилителя

UHM = UHM = UHM =7.8 В.

Общий коэффициент усиления по напряжению

КU ОБЩ = КU = КU = 424

КU ОБЩ [дБ] = 20 lg КU ОБЩ КU ОБЩ [дБ] = 20 lg 424 КU ОБЩ [дБ] = 52.5 дБ.

Коэффициент усиления по напряжению входного каскада на ИМС

Из справочника известно, что максимальное выходное напряжение микросхемы К140УД1Б - 5.7 В.

Примем, что при каком-то коэффициенте усиления напряжение на выходе будет 3.5 В. Рассчитаем этот коэффициент.

КU ВХ = КU ВХ = КU ВХ = 175

КU ВХ[дБ] = 20 lg КU ВХ КU ВХ [дБ] = 20 lg 175 КU ВХ [дБ] = 44.8 дБ.

Коэффициенты усиления по напряжению оконечного каскада на транзисторах

KU ОК[дБ] = КU ОБЩ [дБ] - КU ВХ [дБ] KU ОК[дБ] = 52.5 - 44.8 KU ОК[дБ] = 7.7

KU ОК = KU ОК = KU ОК = 2.42



Допустимое значение коэффициента частотных искажений для всего усилителя на высшей граничной частоте

МВ [дБ] = 20 lg МВ МВ [дБ] = 20 lg 1.6 МВ [дБ] = 4 дБ

Допустимое значение коэффициента частотных искажений для всего усилителя на низшей граничной частоте

МН [дБ] = 20 lg МН МН [дБ] = 20 lg 1.5 МН [дБ] = 3.52 дБ

Допустимый коэффициент частотных искажений на верхней граничной частоте для каждого каскада усилителя

МВ КАСК = МВ КАСК = МВ КАСК = 1.26

МВ КАСК[дБ] = 20 lg МВ КАСК МВ КАСК[дБ] = 20 lg 1.26 МВ КАСК[дБ] = 2 дБ

Допустимый коэффициент частотных искажений на нижней граничной частоте для каждого из каскадов

МН КАСК = МН КАСК = МН КАСК = 1.1

МВ КАСК[дБ] = 20 lg МВ КАСК МВ КАСК[дБ] = 20 lg 1.1 МВ КАСК[дБ] = 0.82 дБ



3. РАЗРАБОТКА ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЗАДАНИЯ

Расчёт входного каскада УНЧ

Рисунок 2. Схема каскада УНЧ.

Исходные данные

- амплитудное значение ЭДС источника входного сигнала EC M = 20 мВ;

- внутреннее сопротивление источника сигнала RИСТ = 2 кОм;

- рабочий диапазон частот fH - fB = 80 Гц - 14 кГц;

- допустимые значения коэффициентов частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах МН = 1.5, МВ = 1.6;

- номинальное сопротивление нагрузки RН = 15 Ом.

Параметры выбранной микросхемы:

- коэффициент усиления ОУ без обратной связи - КU ОУ = 8000;

- входное сопротивление ОУ без обратной связи - RВХ ОУ = 4 кОм;

- выходное сопротивление ОУ без обратной связи - RВЫХ ОУ = 700 Ом;

- напряжение питания - UИП = ±12.6 В.

Порядок расчёта

Будем использовать резисторы с точностью 5%

Резисторы R1 и R4.

Величину сопротивлений данных резисторов рекомендуется выбирать из промежутка от 1 до 50 кОм, при этом они должны быть равны.

Выберем сопротивления по 24 кОм.

Расчёт сопротивления резистора R3.

При расчёте должно выполнятся необходимое условие:

1 кОм ? R3 ? 200 кОм

R3 = R4(КU ВХ - 1) R3 = 24(175 - 1) R3 = 4.176 кОм., условие выполнено.

Ближайшее значение сопротивления резистора - 3.9 кОм.

Так же, для максимального приближения сопротивления к расчётному, последовательно с R3, включим дополнительный резистор R5 = 270 Ом.

Коэффициент обратной связи.

в = в = в = 0.85

Входное сопротивление каскада.

RВХ 1 = RВХ ОУ(1 + в RВХ ОУ) RВХ 1 = 4(1 + 0.85 · 4) RВХ 1 = 17.6 кОм

Выходное сопротивление каскада.

RВЫХ 1 = RВЫХ 1 = RВЫХ 1 = 909 Ом

Ёмкость разделительного конденсатора С1.



С1 = С1 = С1 = 221 мкФ

Ближайшее значение ёмкости - 220 мкФ.

Значение сопротивления R2.

Рекомендованное значение данного резистора - 390 Ом.

Значение ёмкости С3.

Рекомендованное значение ёмкости данного конденсатора - 510 пФ.

Коэффициент передачи входной цепи УНЧ.

бВХ 1 РАСЧ = бВХ 1 РАСЧ = бВХ 1 РАСЧ = 0.897

бВХ 1 РАСЧ[дБ] = 20 lg бВХ 1 РАСЧ бВХ 1 РАСЧ[дБ] = 20 lg 0.897

бВХ 1 РАСЧ[дБ] = -0.944 дБ.

12. Амплитудное значение напряжения на входе первого(входного) каскада УНЧ, выполненного на ИМС

UВХ 1 М = бВХ 1 РАСЧ ЕС М UВХ 1 М = 0.897 · 0.02 UВХ 1 М = 0.018 В

Расчёт выходного каскада УНЧ

Исходные данные

- номинальная мощность, отдаваемая в нагрузку РВЫХ = 2 Вт;

- номинальное сопротивление нагрузки RH = 15 Ом;

- амплитудное значение ЭДС входного сигнала EC M = 20 мВ;

- рабочий диапазон частот fH - fB = 80 Гц - 14 кГц;

- допустимые значения коэффициентов частотных искажений на низшей и высшей граничных частотах МН = 1.5, МВ = 1.6;

-рабочий диапазон температур окружающей среды tMIN = -10°C, tMAX = +40°C;

Для выходного каскада выберем транзисторы КТ-815 и КТ-816

Рисунок 3. Схема каскада.

Порядок расчёта

Амплитудное значение напряжения на нагрузке

UHM = UHM = UHM =7.8 В.

ЭДС источника питания усилителя

ЕК = 2(UHM + ДUКЭ)

Рисунок 4. Входная и выходная характеристики транзистора КТ-815.

Из графика выходной характеристики транзистора КТ-815 видно, что ДUКЭ = 2 В.

ЕК = 2(7.8 + 2) ЕК = 19.6 В

Из справочной литературы максимальные напряжения коллекторов транзисторов КТ-815А и КТ-816А - 40 В.

Амплитудное значение тока коллектора.

IК М = IК М = IК М = 515 мА

Выбор коллекторного тока в начальной рабочей точке

IК О = (0.01…0.1) IК М IК О = 0.05·515 IК О = 25.75 мА

Средний ток коллектора

IК СР = IК О IК СР = 25.75 + IК СР = 189.76 мА

Среднее напряжение коллектора

UКЭ СР = ДUКЭ + UКЭ СР = 2 + UКЭ СР = 4.48 В

Мощность, рассеиваемая на коллекторе каждого транзистора

PК MAX = 0.5(ЕК IК СР - РВЫХ) PК MAX = 0.5(19.6 · 189.76 + 2)

PК MAX =1.71 Вт

Максимально возможный ток коллектора



IК MAX = IК MAX = IК MAX = 653 мА

Из справочной литературы, максимальные токи коллекторов транзисторов КТ-815А и КТ-816А - 1.5 А и 3 А соответственно.

На семействе выходных статических характеристик выбранного транзистора строим нагрузочную прямую.

- точка О1 соответствует

UКЭ = IК = 0

UКЭ = UКЭ = 9.8 В

- точка А соответствует

UКЭ = 0 IК =

IК = IК= 653 мА

Затем отмечаем начальную рабочую точку Р (UКЭ = , IК = IК О)

и точку М (UКЭ = UКЭ MIN , IК = IК M)

Рисунок 5. Результаты построений.

Используя построения, определяем токи базы.

А именно: IБ О = 0.7 мА и IБ М = 10 мА.

Рисунок 6. Определение значений напряжений базы.

Далее, на входной характеристике, наносим точки М`, Р` и в этих точках определяются значения UБЭ О, UБЭ М.Из построений видно, что токи базы UБЭ О и UБЭ М равны 760 мВ и 900 мВ соответственно.

Амплитуда напряжения на базе транзистора

ДUБЭ М = UБЭ М - UБЭ О ДUБЭ М = 900 - 760 ДUБЭ М = 140 мВ

Амплитуда входного тока транзистора

ДIБ М = IБ М - IБ О ДIБ М = 10 - 0.7 ДIБ М = 9.3 мА

Выбор диода в цепи смещения транзисторов

IД > (2…3) IБ О IД > 3 · 0.7 IД > 2.1 мА

UVD = 2 UБЭ О UVD = 2 · 760 UVD = 1.52 В

Выберем диод Д2Б.

Рисунок 7. ВАХ диодов Д2Б и Д2В.

Из ВАХ диода Д2Б видно, что при токе в 2.1 мА, падение напряжения на диоде составляет 0.5 В. Чтобы достичь необходимого падения напряжения, необходимо последовательно соединить три таких диода.

Определение величины и типа резисторов в цепи смещения

R1 = R2 = R1 = R2 = R1 = R2 = 3.94 кОм

Ближайшее стандартное сопротивление - 3.9 кОм.

R1 = R2 = 3.9 кОм

IД = IД = IД = 2.1 мА

Определение мощности, рассеиваемой на резисторах R1 и R2

PR1, R2 = IД2 R1 PR1, R2 = 2.12·3.9 PR1, R2 = 17.2 мВт

Будем использовать резисторы по 125 мВт

Общее сопротивление делителя цепи смещения по переменному току

RДЕЛ = 0.5 R1 RДЕЛ = 0.5 · 3.9 RДЕЛ = 1.95 кОм

Мощность сигнала на входе оконечного каскада

РВХ ОКОН = РВХ ОКОН = РВХ ОКОН = 37 мВт

Входное сопротивление выбранного транзистора

RВХ VT = RВХ VT = RВХ VT = 15 Ом

Входная проводимость выбранного транзистора

g11 = RВХ VT-1 g11 = 15-1 g11 = 0.067 Ом-1

Усреднённая крутизна характеристики транзистора

g21 = g21 = g21 = 4.65

Глубина отрицательной обратной связи в каскаде

F = 1 + g21 RH F = 1 + 4.65 · 15 F = 67.4

Входное сопротивление оконечного каскада



RВХ ОКОН = RВХ ОКОН = RВХ ОКОН = 1.89 кОм

Амплитуда входного напряжения оконечного каскада

UВХ М = UН М + ДUБЭ М UВХ М = 7.8 + 0.14 UВХ М = 7.94 В

Коэффициент усиления оконечного каскада по току

К1 ОКОН = К1 ОКОН = К1 ОКОН = 70.2

Коэффициент усиления оконечного каскада по напряжению

К1 ОКОН = К1 ОКОН = К1 ОКОН = 0. 98

Коэффициент усиления каскада по мощность

КР ОКОН = КР ОКОН = КР ОКОН = 54

КР ОКОН[дБ] = 10 lg КР ОКОН КР ОКОН[дБ] = 17.32 дБ

Ёмкость разделительного конденсатора

СР = СР = СР = 289 мкФ

Ближайшее стандартное значение - 300 мкФ

СР = 300 мкФ

Расчёт площади отвода тепла

По справочным данным, внутреннее тепловое сопротивление для транзисторов КТ - 815А и КТ - 816А составляет 2.5 °С/Вт

SРАД ? SРАД ? SРАД ? 23 мм2

Рассчитаем площадь поверхности корпуса транзистора. Транзистора КТ-815 и КТ- 816 исполнены в корпусе КТ-27 (ТО-126)

Рисунок 8. Геометрические параметры корпуса КТ-27.

S = 11.1 · 7.8 · 2 + 7.8 · 2.8 · 2 + 11.1 · 2.8 · 2 + 2 · 3.05 · 2.8р

S = 332 мм2

Так как, площадь поверхности транзистора на много больше, чем расчётная площадь отвода тепла, то транзистор не нуждается в дополнительном теплоотводе (радиаторе).

Коэффициент частотных искажений

Из справочника



h21Э ? 40, а fГР = 3 МГц

fh21Э = fh21Э = fh21Э = 73.17 · 103

МВ РАСЧ ОКОН = МВ РАСЧ ОКОН =

МВ РАСЧ ОКОН = 1

МН РАСЧ ОКОН =

МH РАСЧ ОКОН =

МH РАСЧ ОКОН = 1

Построение сквозной динамической характеристики

Для построения воспользуемся выходной характеристикой с нагрузочной прямой и входной характеристикой.

Заполним таблицу. частота электрический колебание транзистор

N точки	IK , мА	UБЭ , В	IБ , мА	ЕВХ , В
1	160	0.64	1	0.655
2	330	0.68	5	0.755
3	500	0.69	10	0.84
4	600	0.7	15	0.925
5	630	0.71	20	1.01

ЕВХ = UБЭ + IБ RИ

По данным из таблицы строим характеристику.



Рисунок 9. Собственно сама сквозная динамическая характеристика.

Коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике без учёта действия ООС

I1 = I К М = 515 мА

I2 - соответствует ЕВХ на графике сквозной характеристики

ЕВХ = ЕВХ 1 + ЕВХ = 0.655 + ЕВХ = 0.832 В

КГ 3 = КГ 3 = КГ 3 = 0.017

Коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике с учётом ООС

КГ 3 F = КГ 3 F = КГ 3 F = 0.251 · 10-3

Коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике без учёта ООС

КГ 2 = , где ч = 0.4 - 0.6 

КГ 2 = КГ 2 = 0.1

Коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике с учётом ООС

КГ 2 F = КГ 2 F = КГ 2 F = 1.48 · 10-3

Полный коэффициент нелинейных искажений каскада

КГ ОКОН = КГ ОКОН =

КГ ОКОН = 0.15 %

До расчёт первого каскада

Ёмкость разделительного конденсатора С2

С2 = С2 = С2 = 2297 мкФ

Ближайшее стандартное значение - 2200 мкФ

С2 = 2200 мкФ



4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УНЧ

Мы имеем конечные виды схем каскадов УНЧ, представленные ниже.

Рисунок 10. Конечные вид схемы выходного каскада УНЧ.

Рисунок 11. Конечный виды схемы входного каскада УНЧ.

Объединяем две конечные схемы вместе и получаем полную принципиальную схему УНЧ.



Рисунок 12. Принципиальная схема УНЧ.



5. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ ДЛЯ МАНТАЖА СХЕМЫ

Для разработки печатной платы необходимо знать размеры элементов, которые будут монтироваться на поверхность платы.

Геометрические размеры транзисторов уже приводились на рисунке 8.

При изготовлении платы сделаем посадочное место под микросхему с диаметром в два раза больше диаметра окружности, по которой располагаются выводы микросхемы. То-есть диаметр окружности, на которой будут располагаться отверстия, будет равен 10 мм. Это необходимо для того что бы оставить место под дорожки на плате. Диаметр самих отверстий примем за 1 мм.

Рисунок 13. Геометрические параметры корпуса микросхемы К140УД1Б.

Из приведённой ниже иллюстрации узнаем длину корпуса резисторов, без учёта выводов (ножек). Выше было принято условие что мощность резисторов будет составлять 0.125 Вт.



Рисунок 14. Геометрические параметры резисторов.

Итак, Н = 3.2 мм.

Возьмём запас по расстоянию в 6 мм. То-есть Расстояние между отверстиями в плате будет составлять r = Н + 6, r = 9.2 мм, округлим до 9 мм, так как диаметр отверстий будет больше диаметра выводов, а именно, примем его равным 1 мм.

Это был расчёт посадочного места под резисторы.

Теперь определимся с размерами посадочных мест под конденсаторы.

Примем его равным 10 мм. Будем изгибать выводы конденсаторов.

Рисунок 15. Результат разработки печатной платы.

После того, как мы определились с всеми размерами, можно приступать к разводке дорожек на плате.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе был с проектирован и рассчитан усилитель звуковой частоты, который соответствует условиям, заданным в требованиях к проектному устройству.

Результаты работ

Принципиальная схема УНЧ

Печатная плата для монтажа схемы



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Петров С. В. Основы электроники.

2. Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Справочник радиолюбителя ст. 266, 267, 291, 325.

Размещено на Allbest.ru