Розрахунок многочастотного підсилювача низької частоти

Тема роботи

ЗМІСТ

Введення
Загальні положення
Розрахунок вихідного каскаду
Вибір структурної схеми підсилювача
Розрахунок предоконечного каскаду
Розрахунок вхідного каскаду
Розрахунок основних параметрів підсилювача

Висновок

Список використаних джерел

ВСТУП

Метою курсової роботи є поглиблення та закріплення знань, отриманих в ході вивчення першої частини курсу "Аналогова та цифрова електроніка", і придбання навичок розрахунку електронних пристроїв. Виконання курсової роботи передбачає вибір структурної схеми, обгрунтування і розрахунок параметрів і характеристик електронного пристрою - багатокаскадного підсилювача низької частоти, виклад методики та результатів розрахунку в пояснювальній записці і виконання графічної частини.

Вихідні дані: f _н = 20Гц; f _в = 20кГц; М _н.з = М _В.З = 1 / 0, 707; Р _вих = 1,5 Вт; К _р = 48дБ; R _н = 14Ом; До _u = 43дБ.

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Багатокаскадні підсилювачі використовують для отримання потрібних коефіцієнтів підсилення в тому випадку, якщо одного підсилювального каскаду виявляється недостатньо.

Багатокаскадний підсилювач отримують шляхом послідовного з'єднання окремих каскадів. У цьому випадку вихідний сигнал першого каскаду є вхідним сигналом другого каскаду і т. д. вхідний і вихідний опору всього підсилювача визначаються відповідно вхідним і вихідним каскадами.

Коефіцієнт посилення багатокаскадного підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів посилення каскадів:

(2.1)

де 1, 2, ..., N - номери каскадів.

З огляду на співвідношення , Справедливе для коефіцієнтів, які обчислюються у о. е., отримаємо співвідношення для коефіцієнтів, які обчислюються у дБ:

, (2.2)

звідки отримаємо

, (2.3)

де - Коефіцієнт посилення по струму (о. е.).

Підставляючи вихідні дані у вираз (2.3), отримаємо:

Зв'язок каскадів в многокаскадной підсилювачі може здійснюватися за допомогою конденсаторів, трансформаторів або безпосередньо. У нашому УНЧ в якості елемента зв'язку будемо використовувати конденсатор.

Спочатку роблять розрахунок кінцевого вихідного каскаду, який забезпечує отримання необхідної потужності сигналу на навантаженні. У результаті розрахунку визначають коефіцієнт посилення кінцевого каскаду, визначають параметри його вхідного сигналу, що є вихідними для розрахунку предоконечного каскаду, і т. д. аж до вхідного каскаду. У даній роботі для спрощення розрахунок проведемо для середньої частоти ( ), Що дозволить знехтувати впливом опорів конденсаторів і не враховувати залежність параметрів транзисторів від частоти.

Наявність у схемі конденсаторів призводить до того, що у міру зниження частоти зменшується провідність міжкаскадних конденсаторів зв'язку, при цьому збільшується падіння напруги на них і відповідно зменшується напруга сигналу. Це проявляється зниженням коефіцієнта посилення в області низьких частот.

Зменшення модуля коефіцієнта підсилення в області низьких частот враховується коефіцієнтом частотних спотворень :

, (2.4)

де , - Відповідно коефіцієнти посилення напруги на середній і низькій частотах.

У многокаскадной підсилювачі загальний коефіцієнт частотних спотворень:

. (2.5)

Коефіцієнт частотних спотворень для одного каскаду:

, (2.6)

де 1, 2, ..., J - номера конденсаторів в розглянутому каскаді.

Коефіцієнт частотних спотворень, обумовлений впливом одного конденсатора, розраховують за формулою

, (2.7)

де - Низька частота смуги пропускання; - Постійна часу, визначається як добуток ,

де - Ємність конденсатора; - Визначається в залежності від схеми:

- Для вхідного каскаду,

де - Внутрішній опір джерела вхідного сигналу,

- Для проміжних каскадів,

де , - Відповідно вхідний опір наступного каскаду і вихідний опір попереднього каскаду.

Таким чином завдання забезпечення смуги пропускання в області низьких частот зводиться до вибору таких значень ємностей в підсилювачі, щоб загальний коефіцієнт частотних спотворень не перевищив заданий значення .

Через наявність конденсаторів в схемах каскадів в многокаскадной підсилювачі будуть з'являтися фазо-частотні спотворення. Зі зниженням частоти вхідного сигналу з'являється фазовий зсув, обумовлений відставанням по фазі напруги від струму в ланцюгах з конденсаторами. Кут фазового зсуву дорівнює сумі кутів фазових зрушень, створюваних усіма конденсаторами у схемі:

. (2.8)

Фазовий зсув, створюваний дією одного конденсатора визначається за виразом

. (2.9)

РОЗРАХУНОК ВИХІДНОГО КАСКАДУ

Будемо використовувати вихідний бестрансформаторних каскад (додаток А, ЕП). Він являє собою з'єднання двох емітерних повторювачів, що працюють на загальне навантаження . Каскад використовується в режимах навантаження АВ і В. Режим по постійному струму забезпечується дільником, що складається з послідовно з'єднаних резисторів , і діодами і . Схема передбачає використання двох транзисторів різної провідності з близькими за значенням параметрами (компліментарна пара транзисторів). Методика розрахунку вихідного каскаду заснована на використанні графоаналітичний способів розрахунку параметрів за вхідними і вихідними характеристиками транзисторів.

Амплітуду напруги на навантаженні визначаємо за заданими параметрами навантаження:

; (3.1)

Орієнтовна напруга живлення кінцевого каскаду визначаємо за умовою:

. (3.2)

де - Початкова напруга між колектором і емітером транзистора - це напруга, при якому на вихідних характеристиках транзистора спостерігається помітне збільшення кута нахилу. Приймемо , Тоді . Приймаються , Оскільки при напрузі харчування 20 значення напруги , Уточнене по вихідний характеристиці, виявиться більше .

Розраховуємо допустиму потужність розсіювання на колекторі транзистора:

; (3.3)

Максимальну амплітуду вхідного струму визначаємо із співвідношення:

, (3.4)

де - Амплітуда струму в опорі навантаження.

Максимально допустима амплітуда напруги між колектором і емітером транзистора повинна бути не менше половини напруги живлення:

. (3.5)

Маючи значення , , , За довідником [3] підбираємо компліментарну пару транзисторів КТ814А і КТ815А (рис. 1,2), що мають наступні параметри:

Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з загальним емітером при Т = 298 К не менше 40, при Т = 233 К - не менше 30;
Гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі з загальним емітером не менше 3 МГц;
Постійна напруга колектор - емітер 25 В;
Постійний струм колектора 1.5 А;
Постійна розсіює потужність колектора без тепловідводу 1 Вт.

Для подальших розрахунків будуємо сімейство вихідних та вхідну характеристику транзистора. На графіку вихідних характеристик будуємо навантажувальну лінію згідно з рівнянням балансу напруг:

, (3.6)

де - Струм колектора транзистора; - Напруга на колекторі.

Рівняння балансу напруг справедливо для ланцюга транзистора, якщо знехтувати опором розділового конденсатора С6.

Далі на осі колекторного струму відкладаємо значення і знаходимо точку перетину лінії навантаження з горизонтальною лінією, проведеною на рівні (Точка а). Через цю точку проходить вихідна характеристика з максимальним струмом бази, що забезпечує досягнення амплітуди струму навантаження . За положенням точки а уточнюємо значення ( ) І перевіряємо виконання умови (Саме невиконання цієї умови при змусило нас прийняти напруга живлення рівним ).

По точках перетину навантажувальної лінії з вихідними характеристиками визначаємо значення струму бази і струму колектора, що відповідають цим точкам (точки а, b, c, d, e). Використовуючи вхідні характеристику вибраного транзистора, за значеннями струму бази визначаємо відповідні значення вхідної напруги . Отримані дані заносимо в таблицю 1.

За отриманими даними будуємо наскрізну характеристику транзистора

Таблиця 1

Вихідний каскад повинен працювати в режимі АВ або В для отримання високого коефіцієнта корисної дії. Це означає, що вихідну робочу точку треба вибирати при мінімальному струмі спокою колектора і мінімальному струмі бази. На вхідних характеристиці вихідна робоча точка характеризується параметрами , . За побудованої наскрізний характеристиці, відкладаючи значення , Визначаємо

, А по ньому (по вхідній характеристиці) - значення струму бази , Відповідне амплітуді струму в навантаженні.

Визначаємо усереднене значення крутизни наскрізний характеристики

; (3.7)

Оскільки у схемі емітерного повторювача існує внутрішня зворотний зв'язок, визначимо її глибину

; (3.8)

Вхідна провідність транзистора

; (3.9)

Тоді вхідний опір каскаду з урахуванням негативного зворотного зв'язку визначаємо за виразом:

, (3.10)

де - Еквівалентний опір подільника, складеного з резисторів R9 і R10.

Приймемо струм дільника .

За прийнятим току дільника з довідника [4] вибираємо діод КД104А (при він створює падіння напруги 0,9 В.). Два таких діода забезпечать падіння напруги . Знаходимо опору резисторів дільника за умовою:

; (3.11)

Приймаючи відповідно до низки номінальних значень R 9 = R 10 = 510Ом, вибираємо по [5] металодіелектричних резистор С2-33 з номінальною потужністю Вт Перевіримо вибраний резистор по допустимій потужності розсіяння:

, (3.12)

Де

за другим законом Кірхгофа.

Знайдемо еквівалентний опір дільника

Тоді вхідний опір каскаду за формулою (3.10)

Визначаємо ємності вхідного і вихідного розділових конденсаторів:

, (3.13)

; (3.14)

Приймаючи згідно з рядом номінальних значень С6 = 2200 мкФ і С4 = 100мкФ, вибираємо оксидно-електролітичні конденсатори: К50-24 і К50-31 відповідно. Враховуючи, що номінальна напруга конденсаторів повинно бути вибрано з співвідношення , Приймаємо його рівним 25 В.

Коефіцієнт посилення по напрузі

Амплітуда напруги вхідного сигналу

Амплітуда вхідного струму

Коефіцієнт посилення по струму

Коефіцієнт посилення по потужності

Визначимо нелінійні спотворення вхідного каскаду.

Коефіцієнт нелінійних спотворень по третій гармоніці з урахуванням негативного зворотного зв'язку

, (3.15)

де і - Струми колектора, визначені за графіком наскрізний характеристики для двох значень відповідно і = 0,768 В.

Коефіцієнт нелінійних спотворень по 2-й гармоніці

, (3.16)

де - Коефіцієнт асиметрії плечей схеми вихідного каскаду, обумовлений неідентичність параметрів підібраних транзисторів.

Загальний коефіцієнт нелінійних спотворень визначається за формулою

; (3.17)

4. ВИБІР СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

Можна оцінити потрібний число каскадів попереднього підсилення, які повинні забезпечити коефіцієнт підсилення по напрузі:

Коефіцієнт підсилення, який вимагається від одного каскаду

Таким чином, попередній підсилювач міститиме 2 каскаду, побудовані за схемою з загальним емітером. Предоконечного каскад охопимо негативним зворотним зв'язком по струму для зменшення коефіцієнта підсилення по струму. Структурна схема підсилювача представлена на рис.3.

Рис 3. Структурна схема підсилювача.

5. РОЗРАХУНОК предоконечного каскадів

Схема каскаду представлена в додатку А (ОЕ2). Параметри навантаження (вхідні параметри вихідного каскаду і напруга живлення), необхідні для розрахунку вже відомі.

Вибираємо тип транзистора з урахуванням заданого частотного діапазону роботи каскаду, а також параметрів по струму, напрузі і потужності. Максимально допустимий струм колектора транзистора повинен бути більше найбільшого миттєвого значення струму колектора в режимі роботи класу А:

, (5.1)

де амплітуда струму в навантаженні .

Орієнтовно можна вибрати низькочастотний транзистор, що має параметри:

За довідником [3] вибираємо транзистор КТ503А (рис. 4), який має такі параметри:

Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з загальним емітером 40 - 120.
Гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі з загальним емітером не менше 5 МГц;
Постійна напруга колектор - емітер 40 В;
Постійний струм колектора 0,5 А;
Постійна розсіює потужність колектора без тепловідводу при температурі Т = 233 298 К - 0,35 Вт

Виберемо вихідний режим транзистора каскаду, для якого

, (5.2)

, (5.3)

. (5.4)

де - Напруга колектор - емітер, яке відповідає режиму спокою.

, .

Опір резисторів R7, R8 розраховуємо з падіння напруг на них:

; ; (5.5)

; .

Приймемо R7 = 150 Ом і R8 = 56 Ом. За [5] вибираємо металодіелектричних резистори С2-33 з номінальною потужністю 1 Вт і 0,5 Вт відповідно. Для перевірки резисторів по допустимій потужності розсіяння припустимо, що всі напруга, що створюється джерелом живлення, падає на цих резисторах. Рассеиваемую потужність визначимо за формулою

; (5.6)

(Вт).

Опір резистора R6 дільника знаходимо з виразу:

, (5.7)

де для кремнієвих транзисторів, - Струм дільника. .

Опір резистора R5 дільника знаходимо наступним чином

; (5.8)

Вибираємо по [5] резистори С2-33 R5 = 750 Ом, номінальна потужність 0,25 Вт і R6 = 270 Ом, номінальна потужність 0,125 Вт. Виконаємо перевірку для резистора R5 за формулами, подібними (5.6):

;

Для визначення коефіцієнта посилення каскаду по струму визначимо еквівалентний опір ланцюга колектора по змінному струмі

, (5.9)

Визначаємо коефіцієнт посилення по струму

, (5.10)

Тоді амплітуда вхідного струму

, (5.11)

Вхідний опір каскаду ОЕ визначається з урахуванням опорів дільника, параметрів транзистора і опору кола емітера:

, (5.12)

де - Усереднене значення крутизни наскрізний характеристики;

- Тепловий потенціал.

Тоді вхідний опір

Коефіцієнт посилення по напрузі

, (5.12)

де в даному випадку - вихідний опір вхідного каскаду, визначена нижче (див. стор 15).

Амплітуда вхідної напруги

, (5.13)

Ємність конденсатора С2 визначаємо за формулою (3.14)

Ємність конденсатора С5, шунтуючого резистор термостабілізації R8 по змінному сигналу, вибираємо з урахуванням того, що його опір має бути значно менше опору R8. Таким чином, за довідником [6] вибираємо алюмінієві оксидно-електролітичні конденсатори К50-29 з ємностями С2 = 100мкФ і С5 = 470мкФ і номінальною напругою 25В.

Для зменшення коефіцієнта підсилення по струму охопимо каскаду негативним зворотним зв'язком по струму (рис. 5).

Каскад, побудований за схемою з загальним, емітером повертає фазу підсилюється сигналу на . Зі зниженням частоти вхідного сигналу з'являється додатковий фазовий зсув, обумовлений наявністю конденсаторів С4, С5. Але вносяться ними фазові зрушення настільки малі зважаючи на великі ємностей (точно вони визначені в п.8: і відповідно), що ними можна знехтувати і вважати, що подається на вхід напруга зворотного зв'язку знаходиться у протифазі до вхідного.

Визначимо глибину зворотного зв'язку з виразу

Струм в колі зворотного зв'язку прямопропорціонален падіння напруги на резисторі R _ос, що дорівнює падінню напруги на паралельно включених опорі ОС і вхідному опорі каскаду:

Тоді глибина зворотного зв'язку

, (5.14)

Виберемо резистор ОС R11 = R _ос = 3000 Ом С3-33 (лакопленочний композиційний) номінальною потужністю 0,025 Вт

( ).

Тоді

Тепер можемо знайти коефіцієнт посилення по струму каскаду зі зворотним зв'язком

, (5.15)

Тоді максимум вхідного струму

Введення зворотного зв'язку змінює параметри каскаду, зокрема вхідний опір:

(5.16)

але зважаючи на великий опору резистора зворотнього зв'язку, вона практично не впливає на вхідний опір:

а, отже, і на коефіцієнт посилення по напрузі

Вихідний опір:

; (5.17)

Коефіцієнт посилення по потужності .

6. РОЗРАХУНОК ВХІДНОГО КАСКАДУ

Вхідний каскад будемо будувати за схемою з загальним емітером. Розрахунок проводимо за схемою, описаною в попередньому пункті.

Виберемо транзистор відповідно до формул

За довідником [3] вибираємо транзистор П701А (рис. 6), який має такі параметри:

Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з загальним емітером 15 - 60.
Постійна напруга колектор - емітер 60 В;
Постійний струм колектора 0,5 А;
Постійна розсіює потужність колектора без тепловідводу при температурі Т 338 До - 1 Вт.
Температура навколишнього середовища від 213 до 398 К.

Визначаємо режим спокою транзистора за формулами (5.2) і (5.3):

Опору резисторів R3, R4 визначаємо за формулами, аналогічним (5.5):

Вибираємо по [5] резистори С2-33 з номіналами R3 = 150 Ом і R4 = 51 Ом і номінальною потужністю 1 Вт і 0,5 Вт відповідно.

Проведемо перевірку за допустимої потужності розсіювання:

;

Визначаємо струм дільника

Опір резистора дільника R2 по (5.7):

Вибираємо резистор С2-33110 Ом 0,25 Вт.

За формулою (5.8) знаходимо R1:

Вибираємо резистор С2-33330 Ом 0,5 Вт.

Перевіримо резистор R1 і R2 по допустимій потужності розсіяння за формулою, подібної (5.6):

Визначимо еквівалентний опір ланцюга колектора по змінному струму за формулою, подібної (5.9):

Підставляючи дані у формулу (5.10), отримаємо коефіцієнт посилення по струму

Амплітуда вхідного струму

Знаходимо усереднене значення крутизни наскрізний характеристики

Тоді за формулою, подібної (5.12), знайдемо вхідний опір каскаду і всього підсилювача

Коефіцієнт посилення по напрузі визначимо за формулою (5.12)

Амплітуду вхідної напруги - за формулою (5.13)

Розрахуємо ємність вхідного розділового конденсатора С1 за формулою (3.14):

За [6] вибираємо конденсатор К50-31220 мкФ 25 В.

Конденсатор С3 вибираємо великої ємності виходячи з того, що він повинен шунтувати резистор термостабілізації по перемінної складової: К50-24 470мкФ 25 В.

7. РОЗРАХУНОК ЗАГАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ ПІДСИЛЮВАЧА

Визначимо основні параметри нашого підсилювача відповідно до формулами (2.1):

коефіцієнт посилення по напрузі

;

коефіцієнт посилення по струму

;

коефіцієнт підсилення по потужності

Визначимо відхилення отриманих параметрів підсилювача від заданих

;

Знайдемо коефіцієнт частотних спотворень за формулами (2.5) і (2.6). Для цього знайдемо за (2.7) коефіцієнти частотних спотворень, обумовлені впливом окремих конденсаторів:

;

Тоді загальний коефіцієнт частотних спотворень

Отриманий коефіцієнт задовольняє умові .

Фазові зрушення, створюваний дією кожного конденсатора визначимо за формулою (2.9):

;

Тоді фазовий зсув вихідної напруги підсилювача відносно вхідного

8. ВИСНОВОК

Роль електроніки в сучасній науці і техніці важко переоцінити. Вона справедливо вважається каталізатором науково технічного прогресу. Без електроніки немислимі ні успіхи в освоєнні космосу і океанських глибин, ні розвиток атомної енергетики та обчислювальної техніки, ані автоматизація виробництва, ні радіомовлення та телебачення, ні вивчення живих організмів. Електронні пристрої широко застосовуються також у сільському господарстві для автоматизації та зв'язку. Мікроелектроніка як черговий історично обумовлений етап розвитку електроніки і одне з її основних напрямків забезпечує принципово нові шляхи вирішення назрілих завдань у всіх перерахованих областях.

9. СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

Робочий А.А., Методичні вказівки до курсової роботи "Розрахунок багатокаскадного підсилювача низької частоти" - Орел, 1998 -28 с.
Гусєв В.Г., Гусєв Ю.М. "Електроніка" - М.: Вища школа, 1991 - 621с.
Напівпровідникові прилади: Транзистори. Довідник / За заг. ред. М.М. Горюнова - М.: Вища школа, 1985 -904 с.
Напівпровідникові прилади: Діоди, тиристори, оптоелектронні прилади. Довідник / За заг. ред. М.М. Горюнова - М.: Вища школа, 1985 -744 с.
Резистори: Довідник: / За ред. Четверткова І.І. - М.: Радіо і зв'язок, 1991 -527 с.
Довідник з електролітичним конденсаторам / Под ред. Четверткова І.І. - М.: Радіо і зв'язок, 1983 -575 с.