Проектування і розрахунок підсилювача електронного модуля
Реферат
У даному курсовому проекті проводиться проектування підсилювача низької частоти, що складається з двох каскадів і RC-ланцюжка зв'язку. Вхідний каскад являє собою інвертують підсилювач на ОП, вихідний - двотактний бестрансформаторних підсилювальний каскад.
Пояснювальна записка виконана на 21 аркуші і містить 4 малюнка, 1спеціфікацію і 1 схему електричну принципову.
Зміст
Введення
1. Аналіз технічного завдання
2. Синтез структурної схеми
3. Розробка і розрахунок принципової схеми
4. Аналіз спроектованого пристрою на ЕОМ
Висновок
Специфікація
Схема принципова
Перелік джерел
Введення
Підсилювачі низької частоти (УНЧ) призначені для посилення безперервних періодичних сигналів, частотний спектр яких лежить в межах від десятків герц до десятків кілогерц. Призначення УНЧ в кінцевому підсумку полягає в отриманні на заданому опорі кінцевого навантажувального пристрою необхідної потужності підсилюється сигналу. Сучасні УНЧ виконуються переважно на біполярних і польових транзисторах в дискретному та інтегральному виконанні.
Незважаючи на все, більш розширюється використання машинних методів схемотехнічного проектування сучасної електронної апаратури, у повсякденній практиці розробникам електронних схем доводиться спочатку вирішувати завдання наближеного розрахунку типових вузлів і пристроїв, а потім уточнювати результати розрахунку на ЕОМ або експериментальним шляхом.
У даному курсовому проекті розрахунок підсилювача низької частоти також на початку буде, проводиться без застосування програмного забезпечення, а потім схема моделюється на ЕОМ з метою перевірки прийнятих рішень та уточнення отриманих результатів
Таким чином, метою даного курсового проектування є придбання практичних навичок конструювання електронних схем і досвіду моделювання електронних схем на ЕОМ на прикладі розробки схеми підсилювача низької частоти з заданими у технічному завданні параметрами.
1. Аналіз технічного завдання
З аналізу технічного завдання слід, що на виході УНЧ повинен стояти потужний крайовий каскад. Так як потужність вихідного сигналу значно перевищує 50 мВт, то застосування кінцевого підсилювального каскаду класу А недоцільно. Тому в якості вихідного обраний двотактний бестрансформаторних підсилювальний каскад, що працює в режимі В. Даний режим забезпечує каскаду гарну економічність завдяки високому ККД. Відсутність трансформатора забезпечує низькі нелінійні спотворення. Двотактний бестрансформаторних каскад, виконаний на потужних транзисторах може забезпечити посилення до 30 дб.
В якості вхідного каскаду обраний інвертують підсилювач на інтегральному операційному підсилювачі. Цей каскад може забезпечити посилення до 60 і більше децибел, в залежності від типу застосовуваної мікросхеми. До того ж инвертирующий каскад на ОУ дозволяє змінювати вхідний опір всього підсилювача в широкому діапазоні.
2. Синтез структурної схеми
Аналізуючи дані технічного завдання можна розрахувати потужність сигналу на вході УНЧ за формулою (2.1) [3]:
, (2.1)
I (2.2)
Для каскаду з ОЕ вихідний опір мало, воно становить сотні Ом. Приймаються R вх = 900 Ом.
I вх =
Необхідний коефіцієнт підсилення по потужності всього підсилювача розраховується за формулою (2.3):
, (2.3)
де - Вихідна потужність підсилювача, зазначена в технічному завданні.
Значення коефіцієнта посилення по потужності всього підсилювача в децибелах розраховується за формулою (2.3):
(2.4)
Завдяки хорошим підсилювальним можливостям вхідного і вихідного каскадів немає необхідності в застосуванні додаткових проміжних підсилювальних каскадів.
Для з'єднання вхідного і вихідного каскадів застосована RC-ланцюг зв'язку.
Один з елементів ланцюга зв'язку (найчастіше R) задають виходячи з вимог, не пов'язаних з частотними спотвореннями, наприклад для забезпечення необхідного вхідного опору або допустимого падіння напруги викликаного вхідним струмом і т.д.
Структурна схема підсилювача низької частоти представлена на малюнку 2.1
Малюнок 2.1 - Структурна схема підсилювача низької частоти.
3. Розробка і розрахунок принципової схеми
При розрахунку передбачається, що параметри транзисторів різних плечей однакові. [3]
Величина напруги джерела живлення визначається за формулою [3] (3.1):
, (3.1)
Максимальне значення колекторного струму кінцевих транзисторів VT 3 і VT 4 визначається за формулою (3.2):
. (3.2)
Значення струму спокою визначається, виходячи з умови (3.3):
(3.3)
Максимальна потужність, що розсіюється колекторним переходом кожного з кінцевих транзисторів визначається за формулою (3.4):
(3.4)
За отриманими значеннями ,
,
і заданому в технічному завданні
вибирається тип кінцевих транзисторів VT 3 і VT 4 так, щоб максимально допустимі значення параметрів транзисторів перевищували розрахункові, тобто:
(3.5)
(3.6)
(3.7)
(3.8)
Даним умовам задовольняє транзистор КТ815 [5]:
,
Максимальне значення струму предоконечного транзисторів визначається за формулою (3.9):
, (3.9)
де - Максимальне значення колекторного струму кінцевих транзисторів;
- Мінімальне значення коефіцієнта передачі струму кінцевих транзисторів.
.
Максимальна потужність, що розсіюється колекторним переходом кожного з предоконечного транзисторів визначається за формулою (3.10):
(3.10)
За отриманими значеннями ,
,
і заданому в технічному завданні
вибирається тип предоконечного транзисторів VT 1 і VT 2 так, щоб максимально допустимі значення параметрів транзисторів перевищували розрахункові, тобто:
(3.11)
(3.12)
(3.13)
(3.14)
Даним умовам задовольняють транзистори КТ3102 A і КТ3107 A [5]:
Ємність розділового конденсатора С4 знаходиться за формулою (3.15):
, (3.15)
де - Нижня гранична частота;
Номінальне значення ємності розділового конденсатора С4 вибрано рівним 820 мкФ, відповідно до ГОСТ 10318-80.
Значення опорів резисторів R 7 і R 8 обрані рівними 100 Ом і будуть уточнюватися при моделюванні схеми на ЕОМ.
Частотні спотворення каскаду в області низьких і високих частот розраховуються за формулами (3.16) і (3.17) відповідно:
(3.16)
, (3.17)
де - Верхня гранична частота.
Вхідний струм двотактного бестрансформаторних каскаду розраховується за формулою (3.18):
, (3.18)
де - Максимальне значення струму предоконечного транзисторів.
Струм дільника R 4 - R 5 - R 6 визначається зі співвідношення (3.19):
(3.19)
Значення опору резистора R 5 визначається за формулою (1.3.20):
, (3.20)
де I Д - струм дільника R 4 - R 5 - R 6;
U БЕ1, U БЕ2, U БЕ3, - напруги зміщення на емітерний перехід відповідних транзисторів, що визначаються за вхідним характеристикам.
Для забезпечення мінімальних нелінійних спотворень напруги зміщення на колекторних переходах VT 1 і VT 2 повинні бути рівні, оскільки параметри h 21Е і I КБ0 цих транзисторів однакові. Тобто
(3.21)
(3.22)
(3.23)
Таким чином, напруга зсуву на колекторному переході будь-якого з транзисторів VT 1 або VT 2 визначається за формулою (3.24):
, (3.24)
де - Падіння напруги на резисторі R 5.
.
Опору R 4 і R 6 розраховуються за формулами (3.25) і (3.26) відповідно:
(3.25)
(3.26)
За розрахунковими значення опорів R 4 і R 6 вибираємо найближчі номінальні значення за ГОСТ 10318-80 рівні 4,3 кОм і 5,1 кОм відповідно.
Ємність конденсатора С3 знаходиться за формулою (3.27):
, (3.27)
де - Нижня гранична частота УНЧ.
Найближче номінальне значення ємності С3 згідно з ГОСТ 10318-80 одно 3,9 мкФ. Вхідний опір двотактного вихідного каскаду визначається за формулою (3.28):
(3.28)
Значення опору резистора R 3 розраховується [1] за формулою (3.29):
(3.29)
де - Вхідний опір двотактного кінцевого каскаду;
- Оптимальне значення опору навантаження ОУ
Таке значення опору R 3 обумовлено необхідністю забезпечення необхідного вхідного опору вихідного двотактного каскаду, щоб R 3 | | R вх = R н. Min.
Значення ємності конденсатора С2 визначається [1] за формулою (3.30):
, (3.30)
де | |
;
- Нижня гранична частота;
- Коефіцієнт частотних спотворень (задаємося
дБ);
- Оптимальне значення опору навантаження ОУ.
Найближче номінальне значення ємності С2 за ГОСТ 10318-80 одно 1,8 мкФ.
Коефіцієнт передачі RC-ланцюга зв'язку обчислюється [1] за формулою (3.31):
(3.31)
Коефіцієнт передачі RC-ланцюга зв'язку на нижній граничній частоті обчислюється за формулою (3.32):
(3.32)
Таким чином, напруга на вході RC-ланцюга зв'язку буде визначатися виразом (3.33):
(3.33)
Як инвертирующего підсилювача вибираємо мікросхему операційного підсилювача КР 1001 УД 1.
Для забезпечення узгодження инвертирующего підсилювача на ОП і джерела сигналу необхідно, щоб опір входу підсилювача і джерела сигналу були рівні. Так як , [2] то справедливо
Ом.
Так як , То напруга на вході підсилювача визначається за формулою (3.34):
(3.34)
Необхідний коефіцієнт посилення инвертирующего підсилювача на ОП розраховується [2] за формулою (1.3.35):
(3.35)
Значення опору резистора R 2 розраховується [2] за формулою (3.36):
(3.36)
Найближче номінальне значення опору за ГОСТ 10318-80 є 180 кОм.
Значення ємності конденсатора С1 прийнято рівним 1 мкФ і буде уточнюватися при моделюванні схеми на ЕОМ.
Номінальна напруга всіх конденсаторів схеми визначається з умови, що . Тобто всі конденсатори беруться з номінальною напругою не менше 70 В.
4. Аналіз спроектованого пристрою на ЕОМ
Аналіз роботи схеми проводився за допомогою програми Electronics Workbench Version 5.12. Модель проектованого підсилювача показана на малюнку 4.1. У ході моделювання було видно, що амплітуда сигналу на виході на граничних частотах відрізняється від розрахункової величини, що пов'язано з різним коефіцієнтом передачі на цих частотах). При роботі УНЧ на частотах, близьких до граничних, з'являються нелінійні спотворення: на нижній граничній частоті - спотворення у вигляді "сходинок", на верхній - зріз вершини синусоїди сигналу.
При зміні номіналів елементів, прийнятих у розрахунку, явних поліпшень вихідного сигналу не спостерігалося, тому зміни у схемі не відбувались.
Малюнок 4.1 - Модель проектованого підсилювача.
Висновок
Як показали розрахунки та аналіз роботи змодельованої схеми на ЕОМ, спроектований підсилювач низької частоти задовольняє вимогам технічного завдання. Такі параметри підсилювача, як коефіцієнт нелінійних спотворень, коефіцієнт корисної дії, напруга шумів, а також деякі інші параметри та характеристики в даному курсовому проекті не розраховувалися через відсутність відповідних вимог у технічному завданні.
Під час роботи над даним курсовим проектом були поглиблені знання з аналогової електроніці, зокрема по підсилювачів низької частоти. Були придбані навички роботи з програмою Workbench, що моделює роботу електричних ланцюгів.
Перелік джерел
Гусєв В.Г., Гусєв Ю.М. Електроніка. - М.: "Вища школа", 2001. - 617с.
Кофлін Р., Дріскол Ф. Операційні підсилювачі. - М.: "Мир", 2009. - 356с.
Електронні схеми на операційних підсилювачах: Довідник / Щербаков В.І., Грездов Г.І. - Київ.: "Технічна i ка", 2003. - 206с.
Нестеренко Б.К. Інтегральні операційні підсилювачі: Довідковий посібник із застосування. - М.: Енергоіздат, 1982. - 124с.
Гершунский Б.С. Довідник з розрахунку електронних схем - Київ.: "Вища школа", 1983 - 237с.
C правочнік радіоаматора-конструктора. - 3-е изд., Перераб. і доп. - М.: Радіо і зв'язок, 1984. - 560 с