Розрахунок підсилювача низької частоти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Технічна електроніка широко застосовується практично у всіх сферах науки і техніки, тому нам необхідні знання з основ електроніки. Багато задач вимірів, управління, інтенсифікації технологічних процесів, що з'являються в різних областях техніки, можуть бути успішно вирішені фахівцем знайомим з основами електроніки. У наш час в техніці широко використовуються різні підсилювачі пристроїв. Підсилювачі скрізь оточують нас. В кожному радіоприймачі, телевізорі, комп'ютері, станку з числовими програмними управлінням є підсилюючі каскади. В залежності від типу підсилюючого параметра підсилюючі пристрої розподіляють на підсилювачі струму, напруги та потужності. В даній курсовій роботі вирішується задача проектування підсилювача низької частоти (ПНЧ).

Об'єктом дослідження даної роботи підсилювач.

Предметом дослідження - ПНЧ.

Метою курсової роботи є розрахунок параметрів елементів ПНЧ.

Відповідно до мети були поставлені наступні завдання:

- аналіз технічного завдання;

- виконати попередній розрахунок ПНЧ;

- розрахувати каскади ПНЧ;

Шляхом вимірювань та обчислень визначити номінальні значення елементів ПНЧ, методом аналізу і синтезу виявити кількість каскадів в ПНЧ та розглянути кожен з них окремо, за допомогою індукції та дедукції обрати елементи ПНЧ. Шляхом моделювання зобразити структурну та електричну схему ПНЧ, використовуючи метод екстраполяції, аксіоматичний, гіпотези та припущення, а також за допомогою системного підходу і систематизації пояснити отримані результати в курсовій роботі.

1. Аналіз технічного завдання

Метою даної курсової роботи є проектування і розрахунок підсилювача низької частоти (ПНЧ). Призначення ПНЧ полягає в отриманні на заданому опорі кінцевого навантажувального пристрою необхідної потужності сигналу, що підсилюється.

Вихідні дані для розрахунку наступні:

Вихідна потужність P_вих= 1 Вт.

Опір навантаження R_н= 8 Ом.

Напруга джерела сигналу U_вх= 10 мВ.

Опір джерела сигналу R_дж= 100 Ом.

Смуга частот f_н = 50 Гц, f _в = 20000 Гц.

Напруга живлення Е_к= 23 В.

В якості елементної бази вибираємо біполярні транзистори, а також резистори і конденсатори. Оскільки опір навантаження малий, то можна було б використати вихідний трансформатор. Але це призвело б до збільшення частотних викривлень сигналу. Тому вихідний каскад обираємо двотактним безтрансформаторним. Опір джерела сигналу R_дж=100 Ом, що дозволяє обійтись без вхідного трансформатора.

Оскільки джерело вхідного сигналу розвиває дуже низьку напругу, то подавати сигнал безпосередньо на каскад підсилення потужності не має сенсу, оскільки при такій слабкій керуючій напрузі неможливо отримати значної зміни вихідного струму, а отже і вихідної потужності. Тому до складу структурної схеми ПНЧ, крім вихідного каскаду, який віддає необхідну потужність корисного сигналу в навантаження, необхідно ввести каскади попереднього підсилення.

2. Попередній розрахунок ПНЧ

Вихідні дані:

Вихідна потужність P_вих= 1 Вт.

Опір навантаження R_н= 8 Ом.

Напруга джерела сигналу U_вх= 10 мВ.

Опір джерела сигналу R_дж= 100 Ом.

Смуга частот f_н = 50 Гц, f _в = 20000 Гц.

Напруга живлення Е_к= 23 В.

Вважаємо, що ПНЧ працює в стаціонарних умовах. Температура оточуючого середовища: Т_min = + 15C, T_max = + 25C.

2.1 Знаходимо потужність вхідного сигналу

Зауважимо, що найбільша потужність віддається у навантаження, коли його опір дорівнює внутрішньому опору джерела. Тоді

,	(2.1)

де - опір джерела сигналу.

Вт.

2.2 Знаходимо необхідний коефіцієнт підсилення за потужністю

В ПНЧ застосовують регулятори рівня вихідного сигналу (для звукових ПНЧ - регулятори гучності), що викликає деяке зниження потужності вихідного сигналу.



,	(2.2)

де - коефіцієнт передачі регулятора рівня сигналу, задається в межах (0,3…0,5).

.

Визначимо коефіцієнт підсилення за потужністю у децибелах:

,	(2.3)

дБ.

2.3 Попередньо вибираємо схему, тип підсилюючих приладів та орієнтовну величину коефіцієнта підсилення за потужністю вихідного каскаду

Оскільки розрахункова потужність вихідного каскаду перевищує 50 мВт, треба застосовувати двотактну схему.

Тип транзистора вхідного каскаду вибираємо за величиною максимально допустимої потужності, що розсіюється на його колекторі. Для цього знаходимо потужність, яку транзистор повинен віддати у навантаження:

,	(2.4)

де - коефіцієнт завантаження транзистора ().

Вт.

Потужність, що споживається колекторним колом від джерела живлення визначається для двотактного каскаду виразом:

,	(2.5)

де - ККД вихідного сигналу (для двотактного ).

Вт.

За знайденим значенням з довідника 2 вибираємо транзистори VT6 та VT7 (додаток Б) типу KT3107Е, які мають такі параметри:

Максимальна потужність, що розсіюється на колекторі мВт.

Постійна напруга колектор-емітер В.

Постійний струм колектора мА.

Гранична частота коефіцієнта передачі струму МГц.

Коефіцієнт передачі струму в схемі зі спільним емітером .

Як бачимо, умови та виконуються.

2.4 Вибираємо схему каскадів попереднього підсилення

Для попереднього підсилення застосовуємо схему зі спільним емітером. В якості активного елемента застосовуємо малопотужний транзистор КТ315Г n-p-n типу, тому що для вихідного каскаду теж було обрано транзистор n-p-n типу.

2.5 Знаходимо орієнтовну кількість каскадів

,	(2.6)

 каскада.

Отримане значення округляємо до найближчого більшого цілого, тобто каскада.

3. Розрахунок вихідного каскаду ПНЧ

Вихідні дані:

Вихідна потужність P_вих= 1 Вт.

Опір навантаження R_н= 8 Ом.

Смуга частот f_н = 50 Гц, f _в = 20000 Гц.

Напруга живлення Е_к= 23 В.

3.1 Знаходимо максимальне значення колекторного струму кінцевих транзисторів VT5 та VT6

,	(3.1)

А.

3.2 Вибираємо значення струму спокою (струму в робочій точці) кінцевих транзисторів

,	(3.2)

мА.

3.3 Визначаємо максимальну потужність, що розсіюється колекторним переходом кожного з кінцевих транзисторів

,	(3.3)

 Вт = 1675 мВт.

Як видно з розрахунку, транзистори VT6 та VT7 типу KT3107Е не підходять. В зв'язку з цим вибираємо транзистор типу КТ814А з додатковим охолодженням. ()

3.4 Знаходимо максимальне значення колекторного струму передкінцевих транзисторів

,	(3.4)

де - мінімальне значення коефіцієнта передачі струму кінцевих транзисторів ().

мА.

3.5 Визначаємо параметри резисторів та

Опори резисторів та обираємо рівними 510 Ом. Надалі можлива зміна цього значення. Потужність, що розсіюється на цих резисторах, знаходиться за виразом:

,	(3.5)

мВт.

З довідника 1 вибираємо резистори та типу С2-33 - 0,125 Вт - 510 Ом.

3.6 Визначаємо потужність, що розсіюється кожним з перед кінцевих транзисторів

,	(3.6)

мВт.

3.7 Вибираємо перед кінцеві транзистори

За результатами розрахунків з довідника 2 вибираємо транзистор VT5 КТ361А, та транзистор VT4 КТ315А. Це компліментарна пара і їх параметри ідентичні, (окрім струму):

Максимальна потужність, що розсіюється на колекторі мВт.

Постійна напруга колектор-емітер В.

Постійний струм колектора мА.

Гранична частота коефіцієнта передачі струму МГц.

Коефіцієнт передачі струму в схемі зі спільним емітером .

3.8 Знаходимо параметри конденсатора

Ємність конденсатора визначається з виразу:

,	(3.7)

де - допустиме частотне викривлення в області нижніх частот (нехай ).

Ф = 2017,207 мкФ.

Напруга на конденсаторі визначається за виразом:

,	(3.8)

В.

З довідника вибираємо конденсатор типу К 50-18 - 50 В - 4700 мкФ.

3.9 Визначаємо параметри резистора

Величину резистора вибираємо рівною 3300 Ом. Струм, що проходить через резистор :

мкА.

Потужність, що розсіюється на резисторі :

мкВт.

З довідника вибираємо резистор типу С2-33 - 0,125 Вт - 3300 Ом.

3.10 Визначення вхідної потужності

Для визначення потужності на вході каскаду використовуємо вольт-амперні характеристики транзистора КТ315А. В сімействі вихідних характеристик відкладаємо на відповідних осях та (рис. 4.1). знаходимо - максимальний робочий струм бази. Із сімейства вхідних характеристик знаходимо максимальну робочу напругу .

З рисунку 3.1 визначили мА, В при 20°С. Вхідна потужність визначається за формулою:

,	(3.9)

мкВт.

3.11 Визначаємо коефіцієнт підсилення вихідного каскаду за потужністю

,	(3.10)

Рисунок 3.1 - Вольт-амперні характеристики транзистора КТ315A

3.12 Визначаємо параметри резистора

,	(3.11)

де - напруга на вході транзистора VT4 при відсутності сигналу ( В); - напруга на вході транзистора VT6 при відсутності сигналу ( В).

Ом = 128,912 кОм.

Потужність, що розсіюється на резисторі :

,	(3.12)

мВт.

З довідника 1 вибираємо резистор типу С2-33 - 0,125 Вт - 62 кОм.

3.13 Знаходимо параметри конденсатора .

,	(3.13)

Напруга на конденсаторі визначається за виразом:

,	(3.14)

В.

З довідника 1 вибираємо конденсатор типу К 50-35 - 50 В - 5 мкФ.

4. Розрахунок третього каскаду ПНЧ

підсилювач сигнал каскад транзистор

Вихідні дані:

Максимальний вхідний струм наступного каскаду мА.

Смуга частот f_н = 50 Гц, f _в = 20000 Гц.

Напруга живлення Е_к= 23 В.

4.1 Знаходимо струм спокою в струмі колектора

,	(4.1)

мА.

4.2 Знаходимо амплітуду змінної складової струму у колі колектора

Для забезпечення економічності каскаду за мінімальних нелінійних викривлень обирають:

,	(4.2)

мА.

4.3 Вибираємо транзистор для другого каскаду

Допустима напруга між колектором та емітером транзистора повинна перевищувати напругу джерела живлення. Тобто



В,	(4.3)

Величина допустимого струму колектора повинна перевищувати максимальне значення струму у колекторному колі транзистора:

мА,	(4.4)

Враховуючи умови (4.3) та (4.4), з літератури 4 вибираємо VT3 транзистор КТ361 Г. з такими параметрами:

Максимальна потужність, що розсіюється на колекторі мВт.

Постійна напруга колектор-емітер В.

Постійний струм колектора мА.

Гранична частота коефіцієнта передачі струму МГц.

Коефіцієнт передачі струму в схемі зі спільним емітером .

4.4 Знаходимо параметри резистора

Величина опору резистора :

,	(4.5)

Ом.

Потужність, що розсіюється на резисторі :

,	(4.6)

мВт.

З довідника 1 вибираємо резистор типу С2-33 - 0,125 Вт - 0,15 МОм.

4.5 Знаходимо параметри резистора

Величина опору резистора :

,	(4.7)

Ом.

Потужність, що розсіюється на резисторі :

,	(4.8)

мВт.

З довідника 1 вибираємо резистор типу С2-33 - 0,125 Вт - 68 кОм.

4.6 Знаходимо параметри конденсатора

Знаходимо ємність конденсатора , що шунтує за умови, що його опір на частоті повинен бути у 10 разів меншим за опір резистора :

,	(4.9)

Ф = 0,468 мкФ.

Напруга на конденсаторі визначається за виразом:



,	(4.10)

В.

З довідника 1 вибираємо конденсатор типу К 50-35 - 6,3 В - 20 мкФ.

4.7 Знаходимо величину струму спокою бази транзистора

А = 1,4 мкА.

4.8 Знаходимо вхідний опір транзистора

Оскільки у відкритому стані транзистора напруга між його базою та емітером становить близько 0,6 В, то напруга спокою бази В і можна знайти орієнтовне значення вхідного опору транзистора:

,	(4.11)

МОм.

4.9 Знаходимо параметри опорів дільника ,

Дільник підключено до напруги

В.

Величина струму в дільнику вибирається в межах

,	(4.12)

 мкА.

Падіння напруги на резисторі складає

,	(4.13)

В.

Тоді

,	(4.14)

МОм.

,	(4.15)

МОм.

,	(4.16)

мВт.

,	(4.17)

мВт.

З довідника 1 вибираємо резистор типу С2-33 - 0,125 Вт - 2,2 МОм, а резистор типу С2-33 - 0,125 Вт - 0,82 МОм.

4.10 Знаходимо параметри конденсатора

,	(4.18)

де - допустиме частотне викривлення в області нижніх частот (нехай ); - еквівалентний опір навантаження каскаду за змінним струмом.

,	(4.19)

Ом.

Ф = 1,236 мкФ.

Напруга на конденсаторі визначається за виразом:

,	(4.20)

В.

З довідника 1 вибираємо конденсатор типу К 50-35 - 50 В - 2 мкФ.

4.11 Знаходимо амплітудне значення струму й напруги на вході каскаду

,	(4.21)

 мкА.

,	(4.22)

В.

Необхідна потужність вхідного сигналу:

,	(4.23)

мкВт.

4.12 Знаходимо розрахункові коефіцієнти підсилення каскаду за струмом, напругою та потужністю

,	(4.24)

.

,	(4.25)

.

,	(4.26)

дБ.

5. Розрахунок другого каскаду ПНЧ

Вихідні дані:

Максимальний вхідний струм наступного каскаду мкА.

Напруга живлення Е_к= 23 В.

5.1 Знаходимо струм спокою в струмі колектора .

,	(5.1)

мкА.

5.2 Знаходимо амплітуду змінної складової струму у колі колектора

Для забезпечення економічності каскаду за мінімальних нелінійних викривлень обирають:

,	(5.2)

мкА.

5.3 Вибираємо транзистор для другого каскаду

Допустима напруга між колектором та емітером транзистора повинна перевищувати напругу джерела живлення. Тобто



В,	(5.3)

Величина допустимого струму колектора повинна перевищувати максимальне значення струму у колекторному колі транзистора:

мкА,	(5.4)

Враховуючи умови (5.3) та (5.4), з літератури 4 вибираємо VT2 транзистор КТ361 Г. з такими параметрами:

Максимальна потужність, що розсіюється на колекторі мВт.

Постійна напруга колектор-емітер В.

Постійний струм колектора мА.

Гранична частота коефіцієнта передачі струму МГц.

Коефіцієнт передачі струму в схемі зі спільним емітером .

5.4 Знаходимо параметри резистора

Величина опору резистора :

,	(5.5)

МОм.

Потужність, що розсіюється на резисторі :

,	(5.6)

мкВт.

З довідника 1 враховуючи великий опір вибираємо резистор типу С2-33 - 2 Вт - 18 МОм.

5.5 Знаходимо параметри резистора

Величина опору резистора :

,	(5.7)

МОм.

Потужність, що розсіюється на резисторі :

,	(5.8)

мкВт.

З довідника 1 враховуючи великий опір вибираємо резистор типу С2-33 - 1 Вт - 9,1 МОм.

5.6 Знаходимо параметри конденсатора

Знаходимо ємність конденсатора , що шунтує за умови, що його опір на частоті повинен бути у 10 разів меншим за опір резистора :

,	(5.9)

Ф.

Напруга на конденсаторі визначається за виразом:

,	(5.10)

В.

З довідника 1 вибираємо конденсатор типу К 50-35 - 6,3 В - 20 мкФ.

5.7 Знаходимо величину струму спокою бази транзистора

мкА.

5.8 Знаходимо вхідний опір транзистора

Оскільки у відкритому стані транзистора напруга між його базою та емітером становить близько 0,6 В, то напруга спокою бази В і можна знайти орієнтовне значення вхідного опору транзистора:

,	(5.11)

МОм.

5.9 Знаходимо параметри опорів дільника ,

Дільник підключено до напруги

В.

Величина струму в дільнику вибирається в межах



,	(5.12)

мкА.

Падіння напруги на резисторі складає

,	(5.13)

В.

Тоді

,	(5.14)

МОм.

,	(5.15)

МОм.

Знаходимо потужність, що виділяється на резисторах та .

,	(5.16)

мкВт.

,	(5.17)

 мкВт.

З довідника 3 враховуючи великий опір вибираємо резистор типу С3-14 - 0,01 Вт - 50 МОм, а резистор типу С3-14 - 0,01 Вт - 200 МОм.

5.10 Знаходимо параметри конденсатора

,	(5.18)

де - допустиме частотне викривлення в області нижніх частот (нехай ); - еквівалентний опір навантаження каскаду за змінним струмом.

,	(5.19)

МОм.

Ф.

Напруга на конденсаторі визначається за виразом:

,	(5.20)

В.

З довідника 1 вибираємо конденсатор типу К 50-35 - 50 В - 2 мкФ.

5.11 Знаходимо амплітудне значення струму й напруги на вході каскаду

,	(5.21)

мкА.

,	(5.22)

В.

Необхідна потужність вхідного сигналу:

,	(5.23)

мкВт.

5.12 Знаходимо розрахункові коефіцієнти підсилення каскаду за струмом, напругою та потужністю

,	(5.24)

.

,	(5.25)

.

,	(5.26)

.

дБ.

5.13 Визначення параметрів перемінного резистора

З довідника 1 вибираємо резистор типу СП3-19а з такими параметрами: номінальний опір Ом, мінімальний опір Ом, номінальна потужність Вт.

Потужність, що розсіюється на резисторі :

Вт.

Знаходимо загальний коефіцієнт підсилення за потужністю всього ПНЧ.

де - коефіцієнт підсилення за потужністю першого каскаду, - коефіцієнт підсилення за потужністю другого каскаду, - коефіцієнт підсилення за потужністю третього каскаду, - коефіцієнт підсилення за потужністю вихідного каскаду.

дБ.

Висновки

Відповідно до заданого технічного завдання проаналізовано та обрано методи розрахунку ПНЧ.

Попередній розрахунок показав, що вхідний сигнал необхідно підсилити на 69,031 дБ, при врахуванні, що кожен з каскадів підсилить вхідний сигнал на ~20 дБ, необхідно для якісного підсилення використати 3,451 ? 4 каскади.

Значення перевищує отримане значення в попередньому розрахунку. Це зумовлено тим, що в третьому каскаді відбувається підсилення на 49,768 дБ, набагато більше ніж припущено в попередньому розрахунку (кожен з каскадів підсилює на ~20 дБ). Дана ситуація не є недоліком - в підсилювачах використовують від'ємний зворотній зв'язок, який покращує деякі параметри ПНЧ, але разом з тим зменшує коефіцієнт підсилення за потужністю. Крім того в схемі ПНЧ передбачено регулятор рівня сигналу. При необхідності за допомогою цього регулятора можна зменшити коефіцієнт підсилення або викинути другий чи третій каскад. Також необхідно зазначити, що транзистори в третьому каскаді працюють на межі з областю відсічення, для реальних умов необхідно зміни вхідні умови, або якісніше підібрати транзистор.

Список літератури

1. Алексеева И.Н. В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 109 / И.Н. Алексеева. - М.: Патриот, 1991. - 80 с.

2. Гуревич Б.М. Справочник по электронике для молодого рабочего: 4-е изд., перероб. и доп. / Б.М. Гуревич, Н.С. Иваненко. - М.: Высшая школа, 1987 - 272 с.

3. Гендин Г.С. Всё о резисторах: справочное издание. Вып. 1239 / Г.С. Гендин. - М.: МРБ, 2000. - 192 с.

4. Брежнева К.М. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова [и др.], под ред. Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 656 с.

5. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: учебник для вузов / Ю.С. Забродин. - М.: Высшая школа, 1982 - 496 с.

6. Колонтаєвський Ю.П. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум. / Ю.П. Колонтаєвський, за ред. А.Г. Соскова. - К.: Каравела, 2003 - 364 с.

7. Бойко В.І. Схемотехніка електронних систем: в 3 к. / В. І. Бойко, А.М. Гуржій [та ін.]. - К.: Вища школа, 2004. - К. 1: Аналогова схемотехніка. - 366 с.

Размещено на Allbest.ru