Проектування підсилювача низької частоти

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Кафедра автоматики та промислової електроніки
Курсова робота
за курсом
"Аналогова схемотехніка"
"Проектування підсилювача низької частоти"
Виконав: студент
Гр. ЕС-91
Керівник: Дудник А.Б.
Суми - 2002

Зміст
  Введення
1. Вибір принципової схеми
2. Розрахунок вихідного каскаду
3. Розрахунок предоконечного каскаду
4. Розрахунок вхідного каскаду
5. Уточнення параметрів схеми і розрахунок зворотного зв'язку
6. Розрахунок елементів зв'язку
Література

Введення

Підсилювачами називають пристрої, в яких порівняно малопотужний вхідний сигнал управляє передачею значно більшої потужності з джерела живлення в навантаження. Найбільшого поширення набули підсилювачі, побудовані на напівпровідникових підсилювальних елементах (біполярних і польових транзисторах), у кінці років підсилювачі переважно використовуються у вигляді готових неподільних компонентів - підсилювальних ІМС. Найпростіша осередок, що дозволяє здійснити посилення, називається підсилювальним каскадом.
Електричні сигнали, що подаються на вхід підсилювачів, можуть бути надзвичайно різноманітні; це можуть бути безперервно змінюються величини, зокрема гармонійні коливання, однополярні і двохполярні імпульси. Як правило, ці сигнали пропорційні певним фізичним величинам. У сталих режимах багато фізичних величини постійні або змінюються дуже повільно (напруга і частота мережі, частота обертання двигуна, напір води на гідроелектростанції). У перехідних і особливо аварійних режимах ті ж величини можуть змінюватися протягом малих проміжків часу. Тому підсилювач повинен володіти здатністю посилювати як змінні, так і постійні або повільно змінюються величини. Такі підсилювачі є найбільш універсальними і поширеними. За традицією їх називають підсилювачами постійного струму (ППС), хоча така назва і не цілком точно: ППС посилюють не тільки постійну складову (приріст сигналу) і в переважній більшості випадків вони є підсилювачами напруги, а не струму. У УПТ не можна пов'язувати джерело і приймач сигналу через трансформатори і конденсатори, які не пропускають постійної складової сигналу. Ця умова викликає деякі труднощі при створенні ППС, але воно ж зумовило ще більшого поширення ППС з появою мікроелектроніки: УПТ не містять елементів, виконання яких у складі ІМС неможливо (трансформатори і конденсатори великої місткості).
Поряд із застосуванням основного типу підсилювачів - ППС - у ряді випадків виявляється доцільним використання підсилювачів з ємнісний зв'язком. Застосування ємнісний зв'язку між каскадами підсилювачів в даний вийшло з ужитку, так як конденсатори з великою ємністю нездійсненні у вигляді елементів ІМС.
Перевагою підсилювачів з ємнісний зв'язком є ​​відсутність дрейфу нуля: конденсатори не пропускають постійної складової, у тому числі напруга дрейфу.

1. Вибір принципової схеми

Знаходимо максимальну потужність P _вх сигналу на вході підсилювача, яку можна отримати при рівності вхідного опору R _вх підсилювача і внутрішнього вихідного опору R _ген джерела сигналу:
(1.1)
де e _ген - величина ЕРС джерела сигналу;
R _ген - внутрішній опір джерела сигналу.
Необхідний коефіцієнт підсилення по потужності всього підсилювача:
(1.2)
де a _p = (1,1 ¸ 1,3) - коефіцієнт запасу по потужності;
- Потужність, що виділяється в навантаження.

Висловимо коефіцієнт посилення в децибелах за формулою:
(1.3)
Визначимо орієнтовна кількість каскадів, вважаючи, що кожен каскад може забезпечувати посилення потужності приблизно на 20 дб.

(1.4)
Складемо структурну схему (рисунок 1.1):

ПК

ПОК

ВК

U н

R н

I н

ВХК

R вх

R ген

e ген

Малюнок 1.1 - Структурна схема підсилювача: ВГК - вхідний каскад, що забезпечує головним чином узгодження з джерелом сигналу; ПК - проміжний каскад; ПОК - предоконечного каскад; ВК - вихідний сигнал, який працює безпосередньо на навантаження
Склавши структурну схему, можна розрахувати вихідний і вхідний каскади.

2. Розрахунок вихідного каскаду

+ E п

- E п

SHAPE \ * MERGEFORMAT

R н

R 4

R 2

R 3

R 1

VD1

VD2

VT1

VT2

VT3

VT4

C 5

C 4

+ E п

- E п

U вх

Малюнок 2.1 - бестрансформаторних вихідний каскад
Вибір вихідних транзисторів.
Амплітудне значення колекторного напруги транзистора VT3 (VT4) (див. рис.2.1):
(2.1)
де U _н - ефективне значення напруги на навантаженні в В.
Амплітуда імпульсу колекторного струму транзистора VT3 (VT4):

(2.2)
Потужність, виділювана каскадом у навантаженні:
(2.3)
Необхідна напруга джерела живлення:
(2.4)
де k ₁ = (1,01 ¸ 1,1) - коефіцієнт запасу за напругою;
r _нас = (0,1 ¸ 1) - внутрішній опір транзистора в режимі насичення.
Виберемо напруга джерела живлення рівним 15 В.
Орієнтовна потужність, що розсіюється на колекторі транзистора:
(2.5)
За слідуючи нерівностей вибираємо транзистори VT3 (VT4):
(2.6)
За довідником [11] вибраний транзистор KT817Б з наступними параметрами:
- Максимально допустима постійна розсіює потужність на колекторі;
- Максимально допустимий постійна напруга між колектором і еммітером;
- Максимально допустимий постійний струм колектора;
- Коефіцієнт передачі струму бази мінімальний;
- Максимально допустима температура переходу;
- Тепловий опір підкладка-корпус;
- Зворотний струм колектора.
Вихідні та вхідні характеристики зображені на малюнках 3 та 4.
Після попереднього вибору транзисторів VT3 і VT4 потрібно перевірити їх потужності показники при найбільшій температурі навколишнього середовища за формулою:
(2.7)
де - Номінально допустима постійна розсіює потужність колектора при максимальній температурі колекторного переходу, Вт;

де t _в - верхнє значення діапазону робочих температур, ^° С.

Оскільки , То вибрані транзистори підходять.
Вибір режиму роботи по постійному струму і побудова ліній навантаження. Струм спокою колектора I _{0 k3} транзисторів VT3 і VT4:
(2.8)
де I _{k про max} (50 ^° C) = 1500 мкА береться в довіднику [11].

I _{0 k3} <I _{k доп} - це означає, що транзистори обрані правильно.
На сімействі вихідних характеристик транзисторів VT3 (VT4) будуються навантажувальні прямі по змінному струму з координатами (див. рис.2.2):
А (I _0k3; E _п); В (I _0k3 + I _km3; E _п - U _km3); (2.9)
А (30 мА; 15 В); В (0.88 А; 1.74 В);
Відповідні значення струмів переносяться на вхідні характеристики (рис.2.3): U _{б m3} = 0,54 В - амплітудне значення напруги на базо-емітерний перехід; U _0б3 = 0,6 В - напруга спокою бази; U _{б3 max} = 1,14 В - максимальне значення напруги на базо-емітерний перехід; I _{б m3} = 57 мА - амплітудне значення струму бази; I _0б3 = 1,78 мА - струм спокою бази; I _{б3 max} = 55.22 мА - максимальне значення струму бази.
Вхідний опір базо-емітерного переходу транзисторів VT3 (VT4):
(2.10)

Номінал резисторів R ₃ і R ₄ для потужних транзисторів:
(2.11)
Потужність, виділювана на резисторах R ₃ і R _4:
(2.12)
Вибір передвихідні транзисторів і режимів роботи їх по постійному струму. Побудова лінії навантаження
Струм спокою емітера транзисторів VT1 (VT2) (див. рис.1.1):
(2.13)
Амплітудне значення струму емітера транзисторів VT1 (VT2):
(2.14)
Приймається . За слідуючи нерівностей вибираються транзистори VT1, VT2:

За довідником [11] обрані транзистори KT814Б (pnp) і КТ815Б (npn) з наступними параметрами:

Для побудови лінії навантаження по змінному струму транзисторів VT1 (VT2) вибираються наступні координати точок A 'і A ":
, (2.15)
.
Переносимо точки A 'і A "на вхідні характеристики транзисторів VT1 (VT2) (рис.2.4).
За графіком (рис.2.4) визначаються такі параметри:
- Амплітудне значення напруги на базі;
- Амплітудне значення струму бази;
- Струм спокою бази транзистора;
- Напруга спокою бази.
Визначення основних параметрів вихідного каскаду
Вихідний опір базо-емітерного переходу транзистора VT1 (VT2):
(2.16)
Вхідний опір верхнього плеча вихідного каскаду на VT1 і VT3:

(2.17)
Вхідний опір нижнього плеча вихідного каскаду на VT2 і VT4:
(2.18)
Амплітудне значення вхідної напруги:
- Верхнього плеча (VT1, VT3):
(2.19)
- Нижнього плеча (VT2, VT4):
(2.20)
Необхідну падіння напруги U _од на діодах VD1, VD2 при струмі
(2.21)
одно:
(2.22)

За довідником [4] вибираються діоди. Прямий струм (середній) повинен бути більше 0,14 мА, пряме напруга має бути більше 1,815 В. Вибирається діод Д7Г з наступними параметрами:
- Середній прямий струм 8 мА;
-При струмі 0,27 мА на діоді відбувається падіння напруги рівне 0.7 В, тому необхідно брати 3 діодів.
Опір резисторів R ₁ і R ₂ дільника
(2.23)
Потужність, виділювана на резисторах R ₁ і R _2:
(2.24)
Вхідний опір верхнього плеча каскаду з урахуванням R ₁ і R _2:
(2.25)
Вхідний опір нижнього плеча каскаду:
(2.26)
Коефіцієнт підсилення по напрузі:
- Верхнього плеча:
(2.27)
- Нижнього плеча:
(2.28)
- Середнє значення:
(2.29)
Коефіцієнт корисної дії усього каскаду:
(2.30)
Потужність на виході каскаду:
(2.31)
Поправка до схеми

R н

R 4

R е.

R 3

R 1

VD1

VD2

VT1

VT2

VT3

VT4

C 5

C 4

+ E п

- E п

C е.

R "

R '

VT0

VD3

Малюнок 2.5 - Уточнений бестрансформаторних вихідний каскад
Вибирається транзистор VT0 КТ3102А з наступними параметрами:

Потужностні показники при найбільшій температурі навколишнього середовища (див. формулу 2.7):


Оскільки , То вибраний транзистор підходить.
Визначаються наступні струми:







Знаходження опору R _е і C _е:
(2.32)
(2.33)
Потужність, виділювана на резисторі R _е:
(2.34)
Визначення опорів R 'і R ":

(2.35)
(2.36)
Потужність, виділювана на резисторах R ^'і R ^":
(2.37)
Уточнене значення потужності розсіювання одним транзистором VT3 (або VT4):
(2.38)
Тепловий опір корпус-середовище:
(2.39)
Площа радіатора:
(2.40)
де K _T = 0,0012 ¸ 0,014 Вт × см ² × град ^-1 - коефіцієнт тепловіддачі.

3. Розрахунок предоконечного каскаду

Наскрізний коефіцієнт підсилення:
(3.1)
Малюнок 3.1 - Схема предоконечного каскаду
Оскільки K _вкв дуже великий, то на вході потрібні: предоконечного і вхідний - каскади із загальним еммітером.
Вибирається транзистор VT КТ3102Е з наступними параметрами:

+30 У