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

Введение

1. Выбор принципиальной схемы

2. Расчет выходного каскада

3. Расчет предоконечного каскада

4. Расчет входного каскада

5. Уточнение параметров схемы и расчет обратной связи

6. Расчет элементов связи

Литература

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 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

+ Eп

- Eп

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 I0k3 транзисторов VT3 и VT4:

(2.8)

где Ikоmax (50C) =1500мкА берётся в справочнике [11].

I0k3< 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; Eп); В (I0k3+Ikm3; EпUkm3); (2.9)

А (30мА; 15В); В (0.88А; 1.74В);

Соответствующие значения токов переносятся на входные характеристики (рис.2.3): Uбm3=0,54В  амплитудное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; U0б3=0,6В  напряжение покоя базы; Uб3max=1,14В  максимальное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; Iбm3=57мА  амплитудное значение тока базы; I0б3=1,78мА  ток покоя базы; Iб3max=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

Р
исунок 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.