Федеральне агентство з освіти
Кафедра «Цифрові радіотехнічні системи»
Пояснювальна записка до курсової роботи
з дисципліни
«Схемотехніка радіоелектронних засобів»
ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ
на курсову роботу з дисципліни
«Схемотехніка електронних засобів»
Тема роботи - електронний підсилювач
Вихідні дані:
Номінальна потужність в навантаженні, Вт 5
Робочий діапазон частот, кГц 0,51-15
Опір навантаження, Ом 8
Вхідний опір підсилювача, кОм> 5
Тип входу ................................................ ...................... диференціальний
Нелінійні спотворення,% 1,5
Частотні спотворення, дБ 3,0
ЕРС джерела сигналу (максимальна величина), мВ 100
Внутрішній опір джерела сигналу, Ом 200
Зміст основних розділів пояснювальної записки.
крайовий каскад:
проміжний каскад;
вхідний каскад;
Перелік обов'язкових креслень
Дата видачі завдання
Керівник ____
Студент
Анотація
Електронний підсилювач
Список літератури - 8 найменувань
Графічне додаток - 1 лист ф. А3
За заданими даними (ТЗ) був розроблений електронний лінійний підсилювач, що підсилює задану потужність.
Зміст
Технічне завдання
Анотація
1 Аналіз технічного завдання
2 Ескізний розрахунок
3 Розрахунок принципової схеми
3.1 Розрахунок вихідного каскаду
3.2 Розрахунок проміжного каскаду підсилювача
3.3 Розрахунок вхідного каскаду
4 Конструкторський розрахунок
4.1 Розрахунок розділових конденсаторів
4.2 Розрахунок потужності розсіювання на резисторах
4.3 Розрахунок загального струму споживання
Список літератури
1 Аналіз технічного завдання
Кінцевий каскад.
Вихідна потужність у технічному завданні дорівнює 10 Вт, тому в якості вихідного каскаду виберемо двотактний каскад. Так як опір навантаження 8 Ом (менше 100 Ом), то вихідний каскад буде безтрансформаторних
Проміжний каскад.
Проміжним каскадом виберемо каскад із загальним емітером. Для забезпечення початкової напруги зсуву між базою і емітером включимо схему дільника.
Вхідний каскад.
Так як задано вхідний опір> 5 кОм у якості вхідного каскаду будемо використовувати диференційний каскад на польових транзисторах.
2 Ескізний розрахунок
Розрахуємо основні параметри:
Номінальна потужність в навантаженні: P н = 10 Вт.
Потужність, що припадає на одне плече двотактного каскаду:
P ~ п = 10 / 2 = 5 Вт.
Максимальна розсіює потужність одного плеча:
P рас. max = 0,5 · P ~ п = 0,5 · 5 = 2,5 Вт.
Максимальний струм колектора дорівнює:
(1)
де R н - заданий опір навантаження, Ом.
Тоді напруга на навантаженні:
,
де P н - номінальна потужність у навантаженні, R н - заданий опір навантаження.
Знайдемо наскрізний коефіцієнт підсилення:
,
де - Напруга на навантаженні, E u - ЕРС джерела сигналу. Множник 1,5 узятий для запасу.
Оскільки вихідний каскад включений за схемою з загальним колектором, то коефіцієнт підсилення по напрузі: K U ≈ 1. Щоб отримати необхідно в схему підсилювача включити проміжний каскад підсилення з .
Нехай половина лінійних спотворень посідає крайовий каскад ( ), А інша частина залишається на решту каскади ( ).
дБ;
Так як , Знаходимо ;
дБ
Так само знайдемо .
3 Розрахунок принципової схеми
3.1 Розрахунок вихідного каскаду
Підберемо необхідний транзистор виходячи з таких умов:
P До max> P рас. Max,
I К max> I К max.
де P До max - постійна розсіює потужність колектора, I К max - постійний струм колектора. (P рас. Max = 1,25 Вт, I К max = 1,11 А - розраховані в пункті 3)
Вибираємо за пару комплементарних транзисторів:
VT 6 - КТ816А (p - n - p)
VT 5 - КТ817А (n - p - n)
Їх основні параметри:
Постійний струм колектора, I кмах = 3 А
Постійна напруга колектор-емітер, U кемах = 25 В
Постійна розсіює потужність колектора P К. = 25 MAX Вт
Постійна розсіює потужність колектора транзисторів КТ816А і КТ817А наведена при роботі їх з теплоотводом.
Виберемо напруга харчування виходячи з наступної умови:
2 U ке.доп. Е п 2 (U ост. + U вих), (3)
де U ке.доп - максимально-допустиме значення напруги колектор - емітер для транзисторів КТ816А, КТ817А, U ост = 1 В - залишкову напругу для транзисторів КТ816А, КТ817А, U вих. - Заданий вихідну напругу.
90 В Еп 19,8 В
Вибираємо напруга живлення рівне 40 В.
Побудуємо навантажувальну криву на графіку вихідних характеристик транзистора КТ816А.
Малюнок 1. Вихідні характеристики
Навантажувальна крива проходить через точки і
Рисунок 2 Рисунок 3
Використовуючи вхідні і вихідні характеристики транзистора, побудуємо прохідну характеристику.
I K, А | 0, 4 5 | 0,75 | 1,07 | 1,32 |
I Б, мА | 5 | 15 | 30 | 45 |
U БЕ, У | 0,8 | 0,88 | 0,93 | 0,95 |
Малюнок 4
Виходячи з побудованої прохідний характеристики, визначаємо:
I до max = 1,11 А; I до min = 0,37 А
U БЕ max = 0,925 В; I Б max = 22 мА
U БЕ min = 0,775 В; I Б min = 2,5 мА
З отриманих значень визначаємо область зміни I Б і U БЕ:
U БЕ = U БЕ max - U БЕ min = 0,925-0,775 = 0,15 В
I Б = I Б max - I Б min = (22-2,5) · 10 -3 = 19,5 мА
Визначимо значення вхідного опору:
Визначимо коефіцієнт підсилення:
де U ВХ = U БЕ - вхідна напруга вихідних транзисторів, В;
U ВИХІД - заданий вихідна напруга, В.
Розрахуємо вхідний опір та коефіцієнт підсилення, з урахуванням зворотного зв'язку.
R вхос = R вхое (1 + b · К і);
де b - коефіцієнт передачі зворотного зв'язку
b = 1 т.к є 100% негативний зворотний зв'язок.
Знайдемо вхідна напруга кінцевого каскаду:
Розрахуємо g (коефіцієнт форми струму):
Приймаються g = 0,9.
Знайдемо колекторне опір транзистора VT 4, використовується наступне співвідношення:
За стандартним ряду опорів виберемо R 13 = 470 Ом.
Обчислимо колекторний струм через транзистор VT 4, А:
Виберемо транзистор виходячи з таких умов:
Вибираємо транзистор КТ815Б (n - p - n)
Його основні параметри:
Постійний струм колектора, I кмах = 1,5 А
Постійна напруга колектор-емітер, U кемах = 40 В
Постійна розсіює потужність колектора 10 Вт
Малюнок 5
Малюнок 6
Використовуючи вхідні і вихідні характеристики транзистора, побудуємо прохідну характеристику за формулою:
Отримані результати внесені в таблицю 1.
Таблиця 1.
h 21 е. | 74,5 | 75 | 75 | 71 | 73 | 72 |
I б, мА | 0,5 | 0,53 | 0,66 | 0,81 | 0,95 | 1,12 |
I до, мА | 38,2 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80,8 |
U бе, У | 0,7 | 0,705 | 0,715 | 0,725 | 0,74 | 0,76 |
Малюнок 7
За допомогою методу п'яти ординат, розрахуємо нелінійні спотворення, що вносяться предоконечного каскадом:
I К max = 80,8 мА; I К min = 38,2 мА; I 1 = 73 мА; I 0 = 64 мА; I 2 = 50 мА.
Знайдемо коефіцієнти гармонік:
; ; .
Розрахуємо коефіцієнт нелінійних спотворень:
За технічним завданням = 1,5%. Щоб зменшити нелінійні спотворення необхідно ввести негативний зворотний зв'язок, яка знизить коефіцієнт нелінійних спотворень у глибину зворотного зв'язку (А):
Знайдемо глибину зворотного зв'язку:
До введення зворотного зв'язку:
де U вих - напруга на виході предоконечного каскаду, U вх - напруга на вході предоконечного каскаду;
U вх = U БЕ max-U БЕ min
U вх = 0,76-0,7 = 0,06 В.
Коефіцієнт посилення зворотного зв'язку:
;
де δ - коефіцієнт передачі зворотного зв'язку.
Так як δ · K u>> 1, то
Розрахуємо опір навантаження по змінному струму для предоконечного каскаду:
де R ВХ.ОС - вхідний опір кінцевого каскаду.
Знаходимо опір зворотного зв'язку:
За лінійці номіналів підбираємо R 14 = 12 Ом.
Перерахуємо глибину зворотного зв'язку і коефіцієнт підсилення з урахуванням отриманого значення R 14
Так як необхідно отримати K u ос = 5,1 збільшимо глибину зворотного зв'язку
Зробимо розрахунок з урахуванням нової глибини зворотного зв'язку:
За лінійці номіналів підбираємо R 14 = 47 Ом
Знайдемо напругу на вході предоконечного каскаду:
На транзисторі VT 4 і на опорі зворотного зв'язку відбувається падіння напруга:
U Б 0 = U БЕ 0 + U R1 4 ;
U R 14 = I Е0 · R 14;
Так як I Е0 ≈ I К0, то U R 14 = I К0 · R 14 = 42,5 · 10 -3 · 47 = 1,99 В.
За вхідний статичної ВАХ транзистора визначаємо, що U БЕ0 = 0,73 В.
U Б0 = 0,73 +1,99 = 2,72 В
Струм дільника висловимо з припущення, що він набагато більше струму бази:
За лінійці номіналів підбираємо R 12 = 390 Ом.
За лінійці номіналів підбираємо R 11 = 560 Ом.
Зробимо перерахунок струму дільника з урахуванням обраних номіналів резисторів R 11 і R 12:
Так як вхідний опір предоконечного каскаду представляє собою паралельне включення опору транзистора VT 4, R 11 і R 12.
знайдемо I Б - амплітуду струму бази;
I Б = I Б max - I Б min = (1,12-0,5) · 10 -3 = 0,62 мА
розрахуємо опір транзистора:
з урахуванням зворотного зв'язку опір транзистора VT 4:
Забезпечення робочої точки транзисторів кінцевого каскаду здійснюється за допомогою діода, включеного в прямому напрямку.
Вибір діода виробляємо виходячи з таких умов:
,
де - Напруга на діоді, - Напруга зсуву.
Напруга зсуву знаходимо з прохідної характеристики транзистора кінцевого каскаду:
У
Вибираємо діоди Д229А у кількості 4шт з наступними параметрами: U пр = 0,4 В; I обр = 50 мкА; U обр = 200 В; I пр = 400 мА;
3.2 Розрахунок проміжного каскаду підсилювача
Так як наскрізний коефіцієнт посилення дорівнює 134,1 а коефіцієнт посилення предоконечного каскаду дорівнює 4,95.
Для отримання заданого коефіцієнта посилення нам необхідний каскад попереднього підсилення з коефіцієнтом посилення K u = 5,2 і вхідний каскад з коефіцієнтом посилення K u ≤ 1.
Виберемо транзистор КТ315В
Його основні параметри:
Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з ОЕ, h 21е = 30 ... 120
Постійний струм колектора, I кмах = 100 мА
Постійна напруга колектор-емітер, U кемах = 40В
Постійна розсіює потужність колектора 150 мВт
Зворотний струм колектора I К об = 1 мкА
Напруга насичення колектор-емітер при I К = 20 мА
U нас = 0,4 В.
Ємність колектора C К = 7 пФ
Постійна часу ланцюга зворотного зв'язку τ ОС = 300 пс.
Введемо обмеження по струму: нехай I К max = 150 мА.
U ке min візьмемо більше U нас = 0,4. Нехай U ке min = 0,8 В.
Виберемо U R 10 = (0,1 ... 0,2) · Е П.
Нехай U R 10 = 0,15 · Е П = 0,15 · 40 = 6 В.
Тоді отримуємо умову:
;
де - Напруга на виході проміжного каскаду, - Зворотний струм колектора.
Так як В, отримуємо:
мА
Вибираємо і мА.
Знайдемо потужність розсіювання транзистора:
Отримане значення потужності не перевищила допустиму (150 мВт).
За лінійці номіналів підбираємо R 9 = 1 кОм.
Розрахуємо навантаження каскаду по змінному струму:
Переконався в можливості цього струму:
,
.
Розрахуємо коефіцієнт посилення каскаду по напрузі:
,
де h 21Е - статичний коефіцієнт передачі струму, h 11Е - вхідний опір транзистора.
r БЕ знайдемо як:
Ом
Ом
Ом
Так як нам необхідно отримати посилення каскаду K U = 5,2 введемо негативний зворотний зв'язок.
,
де δ - коефіцієнт передачі зворотного зв'язку.
Виходячи з нерівності, >> 1, отримуємо
;
За лінійці номіналів підбираємо R 10 = 22 Ом.
Проведемо перерахунок коефіцієнта посилення і глибини зворотного зв'язку:
Знайдемо напругу на вході каскаду:
Струм бази знаходимо з наступної формули:
мА.
Струм дільника знаходимо з умови
мА.
;
;
де U R 10 - напруга на резисторі зворотного зв'язку;
Так як для кремнієвих транзисторів У
За лінійці номіналів підбираємо R 8 = 27 Ом.
За лінійці номіналів підбираємо R 7 = 7,5 кОм.
Проведемо перерахунок з отриманими значеннями R 7 і R 8
Розрахуємо вхідний опір каскаду. Воно представляє собою паралельне з'єднання вхідного опору транзистора VT 3 і резисторів R 7 і R 8.
Знайдемо вхідний опір транзистора VT 2 з урахуванням зворотного зв'язку:
, Де А-глибина зворотного зв'язку.
3.3 Розрахунок вхідного каскаду
Оскільки необхідно забезпечити великий вхідний опір, вибираємо схему на польових транзисторах.
Виберемо транзистор КП307А, з параметрами:
S = 4мА / В (при U СІ = 10 В, U ЗИ = 0 В) - крутизна характеристики,
U ЗІ.0ТС = 0,5 В - напруга затвор-витік відсічення,
I З = 5мА - струм витоку затвора,
I C. НАЧ = 3мА - початковий струм стоку,
U СІ.МАКС = 27 В, U ЗС.МАКС = 27 В,
P C. МАКС = 250 мВт.
Розрахуємо струм навантаження:
Напруга на навантаженні вхідного каскаду:
Тоді потужність на навантаженні:
З умови R вх> 5 кОм (за технічним завданням), виберемо опору R 6 і R 1: R 1 = R 6 = R вх / 2 = 8000 / 2 = 4000 Ом
Розрахуємо струм і напруга на вході:
Знайдемо коефіцієнт підсилення:
Знайдемо струм стоку:
I C МАКС = I C НАЧ = 3 мА
I C МІН = 0,1 · I C НАЧ = 0,3 мА
мА
Знайдемо опір R5:
За лінійці номіналів підбираємо R 5 = 12 кОм
Напруга U ЗІ.0 висловимо зі співвідношення I C 0 = I C НАЧ = S · U ЗІ.0:
Визначимо струми на опору R 1 і R 6:
Знайдемо опору R 2 і R 4:
Знайдемо опір R 3:
З умови отримуємо R 3:
За лінійці номіналів підбираємо R 3 = 62 Ом
4 Конструкторський розрахунок
4.1 Розрахунок розділових конденсаторів
Визначимо величину розділового конденсатора C 5
,
де - Нижня частота роботи підсилювача, М ок - коефіцієнт частотних спотворень кінцевого каскаду.
За промислової лінійці конденсаторів виберемо: З 5 = 56 мкФ.
Знайдемо величину розділового конденсатора C 4:
,
За промислової лінійці конденсаторів виберемо З 4 = 2,7 мкФ.
Визначимо величину розділових конденсаторів C 3 і C 2:
,
де R ВХ - вхідний опір каскаду попереднього підсилення.
За лінійці конденсаторів виберемо З 3 = З 2 = 2,58 мкФ.
Визначимо величину розділового конденсатора C 1:
,
де - Вхідний опір вхідного каскаду.
Найближчим значенням з промислової лінійки конденсаторів є 62 нФ.
Розрахуємо напруга на конденсаторах:
В;
В;
У
За довідником підбираємо тип конденсаторів:
| Тип | Номінальна напруга, В | Номінальна ємність, мкФ | Допуск,% |
З 1 |
|
|
|
|
З 2 |
|
|
|
|
З 3 |
|
|
|
|
З 4 |
|
|
|
|
З 5 |
|
|
|
|
4.2 Розрахунок потужності розсіювання на резисторах
Потужність, що розсіюється на резисторах, визначається за наступною формулою:
,
де I - струм через резистор, R - опір резистора.
Розрахуємо ці потужності:
мВт,
мВт,
мВт,
мВт.
мВт,
мВт,
мВт,
мВт.
мВт,
мВт,
мВт.
мВт,
При виборі резисторів, їх потужність розсіювання будемо брати в 1,5 - 2 рази більше отриманої в розрахунках.
4.3 Розрахунок загального струму споживання
Розрахуємо загальний струм споживання підсилювача. Для цього складемо струми від кожного каскаду. Одержуємо:
мА
Вт
ККД підсилювача дорівнює:
%
Список літератури:
Войшвилло Г.В. Підсилювальні пристрої: Учеб. для вузів .- 2-е изд.-М.: Радіо і зв'язок, 1983 - 264 с.
Остапенко Г. С. Підсилювальні пристрої: Учеб. посібник для вузів .- М.: Радіо і зв'язок, 1989 .- 400 с.: іл.
Опадчій Ю.Ф. Аналогова та цифрова електроніка (Повний курс): Учеб. для вузів .- М.: Гаряча Лінія-Телеком, 2000 .- 768 с.: іл.
Проектування підсилюючих пристроїв: Учеб. посібник / За ред. Н.В. Терпугова. -М.: Вищ. школа, 1982 - 190 с.: іл.
Довідник по напівпровідникових діодів, транзисторів і інтегральних схем. / Під Ренді. М.М. Горюнова .- М.: «Енергія», 1997 .- 744 с.: Іл.
Лавриненко В.Ю. Довідник по напівпровідникових приладів .- 9-е изд., Перераб. -К.: Техніка, 1980. -464 С.: Іл.
Резистори, конденсатори, трансформатори, дроселі, комутаційні пристрої РЕА. / За ред. М.М. Акімов, Є.П. Ващуком. - Мн.: Білорусь, 1994. -591 С.: Іл.
Галкін В.І. Напівпровідникові прилади-2-е вид., Перераб. і доп. - Мн.: Білорусь, 1987. -285 С.: Іл.