Проектирование усилителя низкой частоты

Проектирование усилителя низкой частоты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГОПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Автоматизация и вычислительной техники»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Электроника»

тема: «Проектирование усилителя низкой частоты»

Выполнил: ст. гр. АТПбзс-13-2

Мантай Л.А.

Проверил доцент,канд. техн. наук: Сватов В.Ф.

Тюмень 2014

Введение

Электронные усилители широко применяются в системах автоматики. Твердые знания в области электроники невозможны без приобретения практических навыков расчета электронных усилителей.

Курсовая работа является практическим продолжением теоретического материала, который изучается в разделах по схемотехнике электронных устройств.

Полученные в ходе выполнения курсовой роботы практические навыки должны стать основою приобретения навыков основательно составлять технические задания на разработку электронных устройств и систем, при этом грамотно пользоваться научно-технической и справочной литературой, рационально выбирать схемы электронных устройств и их элементов при решении практических задач по специальности.

Для выполнения расчетов необходимо знать основные характеристики усилителя переменного тока, принцип их построения и работы, методы расчета.

Усилитель - устройство, увеличивающее мощность (напряжение, ток) входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания посредством усилительных элементов (полупроводниковых приборов, электронных ламп и др.).

Усилитель низкой частоты - устройство для усиления сигнала звукового диапазона 20 - 20 000 Гц.

При построении современных УНЧ используют большое число схем и схемотехнических приемов. Выходные каскады УНЧ строятся по одно- или двухтактным схемам, с трансформаторной или бестрансформаторной связью с нагрузкой.

В ходе выполнения курсового проекта необходимо рассчитать усилитель низких частот по заданным входным характеристикам. К рассчитанному усилителю низких частот выполнить структурную схему и подобрать комбинацию каскадов (предварительные и оконечный).

Целью роботы является приобретение навыков расчета усилителя переменного тока, на примере бестрансформаторного усилителя низкой частоты (УНЧ).

1. Техническое задание курсового проекта

По номеру зачетной книжки выбираем исходные данные. Номер зачетной книжки №62012422.

Таблица 1. - Исходные данные УНЧ

Необходимо спроектировать бестрансформаторный УНЧ и определить:

) коэффициент усиления УНЧ по мощности Кр;

) тип схемы выходного каскада;

) типы транзисторов каскадов усиления;

) число каскадов усиления (структурную схему УНЧ);

) электрическую принципиальную схему УНЧ;

) параметры элементов каждого каскада, режимы работы транзисторов.

Считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях. Температура окружающей среды: Tmin=+15 °С ; Ттаx = +25 °С.

1.1 Предварительный расчет УНЧ

. Находим мощность входного сигнала.

Отметим, что максимальная мощность отдается источником входного сигнала нагрузке, когда входное сопротивление каскада равно внутреннему сопротивлению источника (Rвх = Rи).

Тогда

, (1)

Где, Rвх - входное сопротивление первого каскада УНЧ.

В общем случае коэффициент усиления УНЧ по мощности определяется по такой формуле:

, (2)

где  - к.п.д. входного трансформатора, задается в пределах (0,7...0,8);

 - к.п.д. выходного трансформатора, задается в пределах (0,75...0,85);

Крег - коэффициент передачи регулятора уровня сигнала, задается в пределах (0,3...0,5).

Поскольку для выходного каскада выбрали двухтактную бестрансформаторную схему, то из формулы (1) необходимо убрать  и .

Выразим коэффициент усиления по мощности в децибелах:

 (3)

. Находим ориентировочно число каскадов усиления и составим структурную схему УНЧ.

УНЧ состоит из нескольких каскадов, которые осуществляют последовательное усиление сигнала.

Структурная схема УНЧ приведена на рисунке1., где цифрами 1 и 2 обозначены каскады предварительного усиления, а цифрой 3 - выходной (оконечный) каскад.

Рисунок 1. - УНЧ. Схема структурная

Для предварительного усиления, как правило, применяют усилители с ОЭ. При определенных условиях можно считать, что каждый усилитель по схеме с ОЭ обеспечивает усиление мощности приблизительно на 20 дб.

Тогда

 (4)

Полученные значения m округляем до ближнего большего целого.

Поскольку бестрансформаторные оконечные каскады чаще строят по схеме с ОК, которые не имеют усиления по напряжению, то можно считать величину их усиления по мощности равной 10 дб.

В таком случае усиление в схеме УНЧ составит:

2. Предварительный расчет оконечного каскада УНЧ

Высокие качественные показатели имеют каскады, в которых применяют транзисторы разного типу электропроводности (комплементарные пары) Для мощностей выше 50 мВт, необходимо применять двухтактную схему, режим (АВ или В).Режим В имеет высокий КПД (η=0,6÷0,7), однако в этом режиме большие нелинейные искажения .Исходя из этого будем применять схему бестрансформаторного каскада усиления на транзисторах разного типу проводимости (рисунок 2) и режиму АВ. Режим АВ имеет меньшие искажения сигнала, чем режим В. Электропитание такого каскада возможно от однополярного источника. В таком случае нагрузка подключается через конденсатор большой емкости.

Рисунок 2 - Каскад усиления на комплементарных парах транзистора.

Тип транзисторов выходного каскада выбираем по величине максимально допустимой мощности, которая рассеивается на его коллекторе , а также максимальному току коллектора -  и частотным особенностям - :

Определим максимально допустимую мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора

 (5)

Определим максимальный ток коллектора по формуле

 (6)

Определим частотные характеристики

 (7)

Из справочника выбираем транзисторы: КТ816А и КТ817А со следующими параметрами

Таблица 2

Напряжение источника питания выбираем из условия:

UК макс ≥ EK ≥ 2(Uнач + Umвых),

где Uк макс - максимально допустимое напряжение на коллекторе;нач1В - коллекторное напряжение, при котором транзистор входит в режим насыщения (определяется из статических характеристик выбранного транзистора);

U m вых = Umн - амплитуда выходного напряжения.

UК макс ≥ EK ≥ 2(Uнач + Umвых), (8)

*40 ≥ EK ≥ 2(1 + (2 *3*4)1/2),

≥ EK ≥ 11,78,

Величина напряжения питания выбирается из ряда номинальных значений по большему значению.

Таблица 3.

Получаем: EK= 12В

3. Разработка электрической принципиальной схемы УНЧ

На основании структурной схемы составим ориентировочную принципиальную схему УНЧ. В этой схеме, каскады предварительного усиления выполнены на транзисторах VТ1 и VТ2, а оконечный бестрансформаторный каскад усиления на транзисторах разного типа проводимости - VТ3, VТ4. Транзистор VT4 должен иметь такие же параметры, как и VT3, однако противоположную по типу проводимость. Каждый из транзисторов вместе с нагрузкой образуют схему с общим транзистором. Характерной особенностью такой схемы - для нее не нужен фазоинверсный каскад. Для обеспечения питания оконечного каскада от однополярного источника, он подключается к предыдущему каскаду и к нагрузке через конденсаторы С3, C5 и С8. Конденсатор С7 - фильтр напряжения питания каскадов предварительного усиления. Величина сопротивления резистора R12 обычно составляет несколько десятков Ом.

Оконечный каскад работает в режиме класса АВ, который задается делителем R9, R10. Прямое сопротивление диода создает необходимое напряжение смещения (около 1,5В) между базами транзисторов VT3, VT4, а также выполняет функции элемента схемы термокомпенсации. В этом случае, при изменении температуры транзисторов (это вызывает изменение контактной разности потенциалов база-эмиттер) будут пропорционально изменяться и напряжение смещения транзисторов. Небольшое значение напряжения смещения (0,6 - 0,7В), определяет незначительный (десятки миллиампер) сквозной ток транзисторов VT3 и VT4. Ток через нагрузку при этом отсутствует. Поскольку величина сопротивления VD1 незначительна, можно считать, что попеременному току базы транзисторов VT3 и VT4 объединены.

Для предварительного усиления применяют усилители с общим эмиттером. В качестве активного элемента используют маломощный транзистор n-p-n типа. Полученные в результате предварительного расчета данные являются основой для окончательного расчета УНЧ.

4. Окончательный расчет УНЧ

В процессе окончательного расчета усилителя необходимо провести:

расчет оконечного каскада УНЧ;

расчет каскада предварительного усиления.

Расчет обычно выполняют в последовательности, обратной последовательности прохождения сигнала в УНЧ: вначале рассчитывают элементы оконечного каскада, а затем - каскадов предварительного усиления.

Параметры транзисторов КТ816А и КТ817А приведены в таблице №2. Строим на семействе входных характеристик треугольник мощности.

Строим треугольник мощности со сторонами Umн, IKни оцениваем возможность получения заданной мощности:

Рвых=0,5 Um н IK н. (9)

Рвых=0,5*4*1=2 Вт

Рисунок 3 - Входная характеристики транзисторов оконечного каскада.

По треугольнику мощности определяем следующие параметры:

U’mн=4,8-0,5=4,3В

I’кн =1,35-0,25=1,1А

Точку „а” принимают за начальную рабочую точку транзистора, в которой:

КЭ0=ЕК/2=12/2=6 В; (10) = (0,05÷0,1)IK н= (0,05÷0,1)*1=0,55А. (11)

тогда:

ІБ0 =ІК0 /β. (12)

ІБ0 =0,55/20=0,0275мА

Из семейства выходных и входных характеристик транзистора находим амплитудные значения тока базыІБm , напряжения базы UБЭmсогласно:

. (13)

. (14)

Ориентировочное значение входного сопротивления транзистора составит:

вх= UБЭm/ІБm . (15)

rвх= 0.3/ 0,0347=8,64 Ом.

Входная мощность каждого плеча составляет:

Рвх=0,5 UБЭmІБm. (16)

Рвх=0,5*0,3*0,0347=0,005175=5,175 кВт.

и равна мощности, которую необходимо отдать транзистору предпоследнего каскада.

Найдём величины сопротивлений резисторов R1и R2.

Сопротивления резисторов R1и R2 выбирают одинаковыми:

= R2= (ЕК - 2UБЭ0)/2ІД . (17)= R2= (12 - 2*0,7)/(2*0,011)=481,84 Ом

где:

ІД - ток делителя, который должен быть не меньше (2÷5) ІБ0=(2÷5)*0,0275.

Входное сопротивление оконечного каскада составит:

вх =β RдRн/(β Rн + Rд) (18)вх=(20* 240,92* 4)/(20 *4 + 240,92) =60,05Ом,

где:Rд = R1/2 - сопротивление делителя.

Амплитуда входного напряжения каскада:

Um.вх ≈ Umн (19)

Um.вх ≈ Umн ≈ 4,8 В,

поскольку каскад не усиливает напряжение входного сигнала.

Найдём емкость разделительного конденсатора в цепи нагрузки при условии обеспечения коэффициента частотных искажений Мн:

С2 ≥ 1/(2πfнRн). (20)

С2 ≥ 1/(2*3.14*50*4*),

С2 ≥0.0008133мкФ.

.1 Расчёт каскада предварительного усиления

В результате предварительного расчета была составлена структурная схема УНЧ, в которую входят несколько однотипных каскадов предварительного усиления с ОЭ.

Расчет каскада предварительного усиления с ОЭ является основной частью работы при проектировании УНЧ. При ее выполнении рассчитывают параметры элементов каждого каскада, цепей межкаскадных связей, режимы работы транзисторов. Исходя из условия обеспечения однотипности, каскады предварительного усиления выполним одинаковыми. Поэтому расчет обычно сводится к расчету одного каскада.

Как и при предварительном расчете считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях.

Необходимо определить:

) тип транзистора;

) режимы роботы транзистора;

) сопротивления резисторов делителя R1, R2;

) сопротивление резистора коллекторной нагрузки RК;

) сопротивление резистора в цепи эмиттера RЭ;

) емкость разделительного конденсатора С2;

) емкость конденсатора в цепи эмиттера СЭ;

) гарантированное значение коэффициента усиления каскада по току К1, по напряжению КU и по мощности КP.

При построении схемы каскада будем использовать элементы с допустимыми отклонениями от номинальной величины ± 5 %.

Проверяем правильность предварительного выбора транзистора.

)        допустимое напряжение между коллектором и эмиттером должно превышать напряжение источника питания:

Ek > 12B

) величина допустимого тока коллектора должна превышать максимальное значение тока в коллекторной цепи транзистора:

IK max >IK0 + IKm. (21)

где:

IK0- ток покоя в цепи коллектора;амплитуда переменной составляющей тока в цепи коллектора.

= Uвых.т / Rн≈. (22)

где:н≈ - эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току. При этом RК является нагрузкой постоянному току.

Исходя из того, что данный каскад является усилителем мощности, для обеспечения максимальной передачи мощности задаем:

к= Rвх. (23)к=60.05Омн≈ = RкRвх/Rк+Rвх (24)н≈ =60.05*60.05 /60.05+60.05=30.025 Ом= 4.8 / 30.025≈ 0.16 А,

Для обеспечения экономичности каскада при минимальных нелинейных искажениях выбирают:

IK0=(1,05...1,1)IKm. (25)=(1,05...1,1)*0.16=0.176А

IKmax>0.176+ 0.16=0.336 А,

По результатам предварительного расчета выбираем усилительным элементом транзистор типа КТ 502 В

Найдём напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме покоя:

Э0= Uвых.т + Uост. (26)

где:Uост - напряжение между коллектором и эмиттером, ниже которого при работе каскада возникают значительные нелинейные искажения.

Для маломощных транзисторов обычно задают Uост = 1 В.

Э0= 4.8 + 1=5.8В,

Определяем мощность, что выделяется на коллекторе транзистора:

PK =IK0 UKЭ0. (27)=0.176*5.8=1.0208Вт.

При этом необходимо обеспечить выполнение условия:

< PKmax . (28)

.9< 1.0208.

Таким образом, проверяем, что выбранный тип транзистора отвечает требованиям по мощности.

Находим сопротивление нагрузки в цепи коллектора:

к=Rвх. (29)к= 60.05Ом

Рассеиваемая мощность на резисторе составит:

Рвх = IK02RК. (30)

Рвх =0.1762*60.05=1.8Вт

Выбираем резистор по мощности и сопротивлению:

Ряды номинальных значений

Постоянные резисторы

Найдём сопротивление резистора RЭ в цепи термостабилизации:

Э=. (31)

RЭ=

При этом необходимо выполнение соотношения:

Э / RК = (0,1...0,4) (32)Э / RК =13.63/ 60.05 = 0,2

для обеспечения условий температурной стабилизации режима покоя каскада.

Мощность, рассеиваемая на RЭсоставит:

РR= 0,1762 *13.63=0.4 Вт.

Выберем резистор по мощности и сопротивлению:

Ряды номинальных значений

Постоянные резисторы

Найдём емкость конденсатора СЭ.

Емкость СЭ выбирают при условии, что его сопротивление на частоте fн должно быть в 10 раз меньше по сравнению с сопротивлением резистора RЭ:

Э ≥  (34)

CЭ ≥

где: множитель 106 позволяет получить значение емкости в микрофарадах.

Рабочее напряжение на СЭ:

С = IK0RЭ. (35)

UС =0,176*13.63=2.4 В.

Выбираем конденсатор:

Конденсатор постоянной емкости

Найдём величину тока покоя базы транзистора:

Б0= ІК0 / h21Э min . (36)Б0=0,176/ 20=0,0088 А.

Найдём величину напряжения покоя между базой и эмиттером транзистора.

Поскольку в открытом состоянии транзистора напряжение между его базой и эмиттером составляет около 0,6 В, то напряжение покоя базы:Б0=0,6 В

иможно найти ориентировочное значение входного сопротивления транзистора:

вх= UБ0/ IБ0 . (37)вх= 0,6/0,0088=68.18Ом .

Находим величину сопротивлений резисторов делителя R1 ,R2 .

Величина тока в делителе выбирается в пределах:

ІД =(2÷5)ІБ0, (38)

ІД=(2÷5)*0,0088=0,044 А

что обеспечивает независимость задания режима покоя транзистора при изменении его параметров от влияния температуры, при замене транзисторов и др.

Падение напряжения на резисторе RЭ составляет:

э=(IK0 + IБ0) RЭ. (39)э=(0,176+ 0,0088)*13.63=2.5 В.=  (40)

R1 = = (41)=

Находим мощность, что выделяется в резисторах R1и R2:

= (IБ0 + IД)2R1; (42)= (0,0088 + 0,044)2*178.8=0,5Вт.= IД2R2 (43)= 0.0442*70.45=0,136Вт.

Выберем резисторы R1 и R2 по мощности и сопротивлению:

Ряды номинальных значений

Постоянные резисторы

Найдём емкость конденсатора С2 .

Емкость С2 выбираем из условия обеспечения допустимого значения коэффициента частотных искажений Мн :

С2≥

Рабочее напряжение С2 примем равным

=1,5EK . (45)=1,5*12=18В .

Выбираем конденсатор:

Конденсатор постоянной емкости

Находим амплитудные значения тока и напряжения на входе каскада:

вх.т =  (46)

где: h21Э min - минимальное значение коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ для выбранного транзистора.

Iвх.т =

Uвх.т= Iвх.тrвх . (47)вх.т= 0.008* 68.18=0.5 В.

Необходимая мощность входного сигнала:

Рвх = (48)

Рвх =

Находим расчетные коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности:

К1=h21Э min (49)

К1=

КU=h21Э min (50)

КU=

КP=K1KU. (51)

КP=150.125*8.8=1321.1 ;

[КP]дБ=101g КP . (52)

[КP]дБ=101g1321.1=31.2дБ

Заключение

Каскад рассчитан правильно, но значение коэффициента усиления по мощности равно 33 дБ, а это намного больше, чем было заданно ранее.

Поэтому предлагаю из структурной схемы УНЧ убрать одно звено №2 - предварительный усилитель с общим эммитером. Таким образом, усилитель выйдет на режим работы с общим коэффициентом усиления в 70дБ.

Так как, диапазон возможных значений коэффициента усиления по току у транзистора очень широкий: для КТ816 он составляет h21Э = >20, то каскад имеет запас по усилению.

Список литературы

усилитель низкий частота транзистор

1. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств/ Под ред. А.А. Ровдо.- М., 2001.-368 с.

. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника ( Полный курс): Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий и др. -Телеком, 1999.

. Справочник по расчету электронных схем./ Б.С. Гершунский. - Киев: Высшая школа; Изд-во при Киев. ун-те, 1983. - 240 с.

. Гусев В.Г., Гусев Ю.М.Электроника.- М.: Высшая школа, 1991.

. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г.Промисловаелектроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум./За ред. А.Г. Соскова. - К.: Каравела, 2003.- 368 с.