Реферат: Проектирование усилителя низкой частоты
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
СУМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра автоматики и промышленной электроники
Курсовая работа
по курсу
“Аналоговая схемотехника”
“Проектирование усилителя низкой частоты”
Выполнил: студент
Гр. ЭС-91
Руководитель: Дудник А.Б.
Сумы — 2002
Содержание
3. Расчет предоконечного каскада
5. Уточнение параметров схемы и расчет обратной связи
Введение
Усилителями называют устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в последние годы усилители преимущественно используются в виде готовых неделимых компонентов — усилительных ИМС. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом.
Электрические сигналы, подаваемые на вход усилителей, могут быть чрезвычайно разнообразны; это могут быть непрерывно изменяющиеся величины, в частности гармонические колебания, однополярные и двухполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах многие физические величины постоянны либо изменяются весьма медленно (напряжение и частота сети, частота вращения двигателя, напор воды на гидроэлектростанции). В переходных и особенно аварийных режимах те же величины могут изменяться в течение малых промежутков времени. Поэтому усилитель должен обладать способностью усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся величины. Такие усилители являются наиболее универсальными и распространенными. По традиции их называют усилителями постоянного тока (УПТ), хотя такое название и не вполне точно: УПТ усиливают не только постоянную составляющую (приращение сигнала) и в подавляющем большинстве случаев они являются усилителями напряжения, а не тока. В УПТ нельзя связывать источник и приёмник сигнала через трансформаторы и конденсаторы, которые не пропускают постоянной составляющей сигнала. Это условие вызывает некоторые трудности при создании УПТ, но оно же обусловило ещё большее распространение УПТ с появлением микроэлектроники: УПТ не содержат элементов, выполнение которых в составе ИМС невозможно (трансформаторы и конденсаторы большой ёмкости).
Наряду с применением основного типа усилителей — УПТ — в ряде случаев оказывается целесообразным использование усилителей с ёмкостной связью. Применение ёмкостной связи между каскадами усилителей в настоящее вышло из употребления, так как конденсаторы с большой ёмкостью невыполнимы в виде элементов ИМС.
Достоинством усилителей с ёмкостной связью является отсутствие дрейфа нуля: конденсаторы не пропускают постоянной составляющей, в том числе напряжение дрейфа.
1. Выбор принципиальной схемы
Находим максимальную мощность Pвх сигнала на входе усилителя, которую можно получить при равенстве входного сопротивления Rвх усилителя и внутреннего выходного сопротивления Rген источника сигнала:
(1.1)
где eген — величина ЭДС источника сигнала;
Rген — внутреннее сопротивление источника сигнала.
Требуемый коэффициент усиления по мощности всего усилителя:
(1.2)
где a p = (1,1¸1,3) — коэффициент запаса по мощности;
— мощность, выделяемая в нагрузку.
Выразим коэффициент усиления в децибелах по формуле:
(1.3)
Определим ориентировочное число каскадов, считая, что каждый каскад может обеспечивать усиление мощности примерно на 20дб .
(1.4)
Составим структурную схему (рисунок 1.1):
Рисунок 1.1 — Структурная схема усилителя: ВхК — входной каскад, обеспечивающий главным образом согласование с источником сигнала; ПК — промежуточный каскад; ПОК — предоконечный каскад; ВК — выходной сигнал, работающий непосредственно на нагрузку
Составив структурную схему, можно рассчитать выходной и входной каскады.
2. Расчет выходного каскада
|
|
Рисунок 2.1 — Бестрансформаторный выходной каскад
Выбор выходных транзисторов.
Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора VT3 (VT4) (см. рис.2.1):
(2.1)
где Uн — эффективное значение напряжения на нагрузке в В .
Амплитуда импульса коллекторного тока транзистора VT3 (VT4):
(2.2)
Мощность, выделяемая каскадом в нагрузке:
(2.3)
Необходимое напряжение источника питания:
(2.4)
где k1 = (1,01¸1,1) — коэффициент запаса по напряжению;
rнас = (0,1¸1) — внутреннее сопротивление транзистора в режиме насыщения.
Выберем напряжение источника питания равным 15В .
Ориентировочная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора:
(2.5)
По следующим неравенствам выбираем транзисторы VT3 (VT4):
(2.6)
По справочнику [11] выбран транзистор KT817Б со следующими параметрами:
— максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе;
— максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эммитером;
— максимально допустимый постоянный ток коллектора;
— коэффициент передачи тока базы минимальный;
— максимально допустимая температура перехода;
— тепловое сопротивление подложка-корпус;
— обратный ток коллектора.
Выходные и входные характеристики изображены на рисунках 3 и 4.
После предварительного выбора транзисторов VT3 и VT4 нужно проверить их мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды по формуле:
(2.7)
где — номинально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора при максимальной температуре коллекторного перехода, Вт ;
где tв — верхнее значение диапазона рабочих температур, ° С.
Поскольку , то выбранные транзисторы подходят.
Выбор режима работы по постоянному току и построение линий нагрузки. Ток покоя коллектора I0 k3 транзисторов VT3 и VT4:
(2.8)
где Ikо max (50° C) =1500мкА берётся в справочнике [11].
I0 k3 < Ikдоп — это значит, что транзисторы выбраны правильно.
На семействе выходных характеристик транзисторов VT3 (VT4) строятся нагрузочные прямые по переменному току с координатами (см. рис.2.2):
А (I0k3; E п ); В (I0k3 +Ikm3; E п -Ukm3 ); (2.9)
А (30мА; 15В ); В (0.88А; 1.74В );
Соответствующие значения токов переносятся на входные характеристики (рис.2.3): Uб m3 =0,54В — амплитудное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; U0б3 =0,6В — напряжение покоя базы; Uб3 max =1,14В — максимальное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; Iб m3 =57мА — амплитудное значение тока базы; I0б3 =1,78мА — ток покоя базы; Iб3 max =55.22мА — максимальное значение тока базы.
Входное сопротивление базо-эмиттерного перехода транзисторов VT3 (VT4):
(2.10)
Номинал резисторов R3 и R4 для мощных транзисторов:
(2.11)
Мощность, выделяемая на резисторах R3 и R4 :
(2.12)
Выбор предвыходных транзисторов и режимов работы их по постоянному току. Построение линии нагрузки
Ток покоя эмиттера транзисторов VT1 (VT2) (см. рис.1.1):
(2.13)
Амплитудное значение тока эмиттера транзисторов VT1 (VT2):
(2.14)
Принимается . По следующим неравенствам выбираются транзисторы VT1, VT2:
По справочнику [11] выбраны транзисторы KT814Б (p-n-p) и КТ815Б (n-p-n) со следующими параметрами:
Для построения линии нагрузки по переменному току транзисторов VT1 (VT2) выбираются следующие координаты точек A’ и A”:
, (2.15)
.
Переносим точки A’ и A" на входные характеристики транзисторов VT1 (VT2) (рис.2.4).
По графику (рис.2.4) определяются следующие параметры:
— амплитудное значение напряжения на базе;
— амплитудное значение тока базы;
— ток покоя базы транзистора;
— напряжение покоя базы.
Определение основных параметров выходного каскада
Выходное сопротивление базо-эмиттерного перехода транзистора VT1 (VT2):
(2.16)
Входное сопротивление верхнего плеча выходного каскада на VT1 и VT3:
(2.17)
Входное сопротивление нижнего плеча выходного каскада на VT2 и VT4:
(2.18)
Амплитудное значение входного напряжения:
— верхнего плеча (VT1,VT3):
(2.19)
— нижнего плеча (VT2,VT4):
(2.20)
Требуемое падение напряжения Uод на диодах VD1, VD2 при токе
(2.21)
равно:
(2.22)
По справочнику [4] выбираются диоды. Прямой ток (средний) должен быть больше 0,14мА, прямое напряжение должно быть больше 1,815В. Выбирается диод Д7Г со следующими параметрами:
— Средний прямой ток 8мА ;
-При токе 0,27мА на диоде происходит падение напряжения равное 0.7В, поэтому необходимо брать 3 диодов.
Сопротивление резисторов R1 и R2 делителя
(2.23)
Мощность, выделяемая на резисторах R1 и R2 :
(2.24)
Входное сопротивление верхнего плеча каскада с учетом R1 и R2 :
(2.25)
Входное сопротивление нижнего плеча каскада:
(2.26)
Коэффициент усиления по напряжению:
— верхнего плеча:
(2.27)
— нижнего плеча:
(2.28)
— среднее значение:
(2.29)
Коэффициент полезного действия всего каскада:
(2.30)
Мощность на выходе каскада:
(2.31)
Поправка к схеме
Рисунок 2.5 — Уточнённый бестрансформаторный выходной каскад
Выбирается транзистор VT0 КТ3102А со следующими параметрами:
Мощностные показатели при наибольшей температуре окружающей среды (см. формулу 2.7):
Поскольку , то выбранный транзистор подходит.
Определяются следующие токи:
Нахождение сопротивления Rэ и Cэ :
(2.32)
(2.33)
Мощность, выделяемая на резисторе Rэ :
(2.34)
Определение сопротивлений R’ и R”:
(2.35)
(2.36)
Мощность, выделяемая на резисторах R’ и R” :
(2.37)
Уточнённое значение мощности рассеивания одним транзистором VT3 (или VT4):
(2.38)
Тепловое сопротивление корпус-среда:
(2.39)
Площадь радиатора:
(2.40)
где KT =0,0012¸0,014 Вт ×см2 ×град-1 — коэффициент теплоотдачи.
3. Расчет предоконечного каскада
Сквозной коэффициент усиления:
(3.1)
Рисунок 3.1 — Схема предоконечного каскада
Поскольку Kскв очень большой, то на входе нужны: предоконечный и входной — каскады с общим эммитером.
Выбирается транзистор VT КТ3102Е со следующими параметрами:
Принимается
Тогда
Допускается, что напряжение в точке В UB =24В. Тогда напряжение в точке А будет
.
Сопротивление резисторов R1 и R2 делителя:
(3.2)
Мощность, выделяемая на резисторах R1 и R2 :
(3.3)
Сопротивление R4 :
(3.4)
Мощность, выделяемая на резисторе R4 :
(3.5)
Сопротивление Rэ :
(3.6)
где URэ =UB /10=3В .
Мощность, выделяемая на резисторе Rэ :
(3.7)
(3.8)
Напряжение база-эмиттер:
(3.9)
Здесь
Из уравнения (3.6) определяется rб :
(3.10)
Входное сопротивление каскада:
(3.11)
Сопротивление Rk :
(3.12)
Мощность, выделяемая на резисторе Rк :
(3.13)
Выходное сопротивление каскада (учитывая, что rk >> Rk ):
(3.14)
Определение амплитудных токов на базе и коллекторе:
(3.15)
(3.16)
Тогда
(3.17)
(3.18)
Коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада:
(3.19)
4. Расчет входного каскада
Схема входного каскада представлена на рис.5.1.
Рисунок 5.1 Схема входного каскада
Выбирается транзистор VT КТ3102Г со следующими параметрами:
Принимается Тогда
Напряжение в точке А будет
.
Сопротивление резисторов R1 и R2 делителя:
(5.1)
Мощность, выделяемая на резисторах R1 и R2 :
(5.2)
Сопротивление Rэ :
(5.3)
Мощность, выделяемая на резисторе Rэ :
(5.4)
(5.5)
Напряжение база-эмиттер:
(5.6)
Здесь
Из уравнения (3.6) определяется rб :
(5.7)
Входное сопротивление каскада:
(5.8)
Сопротивление Rk :
(5.9)
Мощность, выделяемая на резисторе Rк :
(5.10)
Выходное сопротивление каскада (учитывая, что rk >> Rk ):
(5.11)
Определение амплитудных токов на базе и коллекторе:
(5.12)
(5.13)
Тогда
(5.14)
(5.15)
Коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада:
(5.16)
5. Уточнение параметров схемы и расчет обратной связи
Сквозной коэффициент усиления по напряжению получился равным
(6.1)
где — коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада;
— коэффициент усиления по напряжению промежуточного каскада;
— коэффициент усиления по напряжению входного каскада.
Сравнивая полученный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с необходимым (3.1), можно сделать вывод, что в схему надо добавить ещё один промежуточный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежуточному каскаду в пункте 4 (иметь те же параметры). Коэффициент усиления по напряжению второго промежуточного каскада будет равен 10,76.
Теперь сквозной коэффициент усиления по напряжению будет
(6.2)
Для стабилизации режима покоя в каскад вводят обратную связь (ОС). Обратной связью называется передача информации (или энергии) с выхода устройства или системы на его вход.
Если на входе складываются сигналы разных знаков, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при этом уменьшается. Однако при применении ООС увеличивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению стабилизирует напряжение, ООС по току стабилизирует ток и т.д.
В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя принимает следующий вид:
(6.3)
где K — коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи) участка схемы, охватывающего обратную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи):
(6.4)
Коэффициент j :
(6.5)
где R’ выбирается 10Ом, а RОС — порядка 10кОм.
Таким образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, охватывающего ООС, уменьшается в (1+ jK) раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя необходимо уменьшить в
раз.
Можно записать:
Откуда j =6/K .
Тогда
(6.6)
В результате определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен:
(6.7)
Сквозной коэффициент усиления по напряжению получился равным
(6.1)
где — коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада;
— коэффициент усиления по напряжению промежуточного каскада;
— коэффициент усиления по напряжению входного каскада.
Сравнивая полученный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с необходимым (3.1), можно сделать вывод, что в схему надо добавить ещё один промежуточный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежуточному каскаду в пункте 4 (иметь те же параметры). Коэффициент усиления по напряжению второго промежуточного каскада будет равен 10,76.
Теперь сквозной коэффициент усиления по напряжению будет
(6.2)
Для стабилизации режима покоя в каскад вводят обратную связь (ОС). Обратной связью называется передача информации (или энергии) с выхода устройства или системы на его вход.
Если на входе складываются сигналы разных знаков, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при этом уменьшается. Однако при применении ООС увеличивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению стабилизирует напряжение, ООС по току стабилизирует ток и т.д.
В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя принимает следующий вид:
(6.3)
где K — коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи) участка схемы, охватывающего обратную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи):
(6.4)
Коэффициент j :
(6.5)
где R’ выбирается 10Ом, а RОС — порядка 10кОм.
Таким образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, охватывающего ООС, уменьшается в (1+ jK) раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя необходимо уменьшить в
раз.
Можно записать:
Откуда j =6/K .
Тогда
(6.6)
В результате определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен:
(6.7)
6. Расчет элементов связи
Распределение фазовых сдвигов:
Для входного каскада:
(7.1)
Для предоконечного и промежуточных каскадов:
(7.2)
(7.3)
Для выходного каскада:
(7.4)
(7.5)
R1, R2, R5, R6, R9, R10, R13, R14 | ВС-1-0,125-6,2кОм-10% |
R3, R7, R11, R15 | ВС-1-1-68Ом-10% |
R4, R8, R12, R16 | ВС-1-0,5-30Ом-10% |
R17 | ВС-1-0,125-3,9МОм-10% |
R18, R19 , | ВС-1-0,125-240кОм-10% |
R20 | ВС-1-0,125-13кОм-10% |
R21, R22 | ВС-1-0,125-1кОм-10% |
Rн | ВС-1-20-11Ом-10% |
Rф | ВС-1-1-62Ом-10% |
Rос | ВС-1-0,125-22кОм-10% |
R’ | ВС-1-20-10Ом-10% |
С1 | К50-6-50В-2мкФ- (-20¸+80)% |
С2, С4, С6, С8 | К50-6-10В-10мкФ- (-20¸+80)% |
С3, С5, С7 | К50-6-16В-5мкФ- (-20¸+80)% |
С9 | К50-9-3В-0,5мкФ- (-10¸+100)% |
С10 | К75-42-1600В-0,0033мкФ-10% |
С11 | К50-6-10В-50мкФ- (-20¸+80)% |
Сф | К50-22-50В-1500мкФ- (-20¸+50)% |
VT1-VT5 | KT-3102A |
VT6 | КТ-814Б |
VT7 | KT-815Б |
VT8,VT9 | KT-817Б |
VD1-VD6 | Д2Ж |
Литература
1. Аронов В.А., Баюков А.В. и др. Полуроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. — М.: Энергоиздат, 1982.
2. Гальперин Н.В. Практическая схемотехника в промышленной электронике. — М.: Радио и связь, 1987.
3. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. — М.: Наука, 1983.
4. Гитцевич А.Б., Зайцев А.А. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник. — М.: КубК-а, 1996.
5. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
6. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. — М: Радио и связь, 1985.
7. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
8. Доршков А.В., Полонский А.Д. Методические указания к курсовому проекту “Проектирование усилителя низкой частоты". — Сумы: СФТИ, 1993.
9. Дьяконов М.Н., Карабанов В.И. и др. Справочник по электрическим конденсаторам. — М.: Радио и связь, 1983.
10. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. — М.: Энергоатом-издат, 1988., 1982.
11. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. — М.: Радио и связь, 1984.
12. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. — М.: Энергоатомиздат, 1985.