Реферат на тему "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
  \u 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 P_вх сигнала на входе усилителя, которую можно получить при равенстве входного сопротивления R_вх усилителя и внутреннего выходного сопротивления R_ген источника сигнала:
 (1.1)
где e_ген - величина ЭДС источника сигнала;
R_ген - внутреннее сопротивление источника сигнала.
Требуемый коэффициент усиления по мощности всего усилителя:
 (1.2)
где a_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):

ПК

ПОК

ВК

Uн

Rн

Iн

ВхК

Rвх

Rген

eген

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

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

Rн

R4

R2

R3

R1

VD1

VD2

VT1

VT2

VT3

VT4

C5

C4

+ Eп

- Eп

Uвх

Рисунок 2.1 - Бестрансформаторный выходной каскад
Выбор выходных транзисторов.
Амплитудное значение коллекторного напряжения транзистора VT3 (VT4) (см. рис.2.1):
 (2.1)
где U_н - 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;
r_нас= (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 t_в - верхнее значение диапазона рабочих температур, ^°С.

Поскольку , то выбранные транзисторы подходят.
Выбор режима работы по постоянному току и построение линий нагрузки. Ток покоя коллектора I_0k3 транзисторов VT3 и VT4:
 (2.8)
где I_kоmax (50^°C) =1500мкА берётся в справочнике [11].

I_0k3< I_kдоп - 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 (I_0k3; E_п); В (I_0k3+I_km3; E_п-U_km3); (2.9)
А (30мА; 15В); В (0.88А; 1.74В);
Соответствующие значения токов переносятся на входные характеристики (рис.2.3): U_бm3=0,54В - амплитудное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; U_0б3=0,6В - напряжение покоя базы; U_б3max=1,14В - максимальное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; I_бm3=57мА - амплитудное значение тока базы; I_0б3=1,78мА - ток покоя базы; I_б3max=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 U_од 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

Rн

R4

Rэ

R3

R1

VD1

VD2

VT1

VT2

VT3

VT4

C5

C4

+ Eп

- Eп

Cэ

R”

R’

VT0

VD3

Рисунок 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 R_э и C_э:
 (2.32)
 (2.33)
Мощность, выделяемая на резисторе R_э:
 (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 K_T=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 K_скв очень большой, то на входе нужны: предоконечный и входной - каскады с общим эммитером.
Выбирается транзистор VT КТ3102Е со следующими параметрами:

+30В