Проектирование и расчет низкочастотного усилителя

Министерство образования Российской Федерации

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра технической кибернетики

26.2.070107.421ПЗ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Общая электротехника и электроника»

по теме:

Проектирование и расчет низкочастотного усилителя

Выполнил:

студентка гр. САУ-302

Иванова И.

Проверила:

доцент кафедры ТК

Костюкова Л. П.

Уфа 2007

Введение

Электроника является универсальным и исключительно эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов.

Усилители, одни из самых широко используемых устройств в радиотехнике. Усилители можно разделить по многим признакам: виду используемых усилительных элементов, количеству усилительных каскадов, частотному диапазону усиливаемых сигналов, выходному сигналу, способам соединения усилителя с нагрузкой и др. По типу используемых элементов усилители делятся на ламповые, транзисторные и диодные. По количеству каскадов усилители могут быть однокаскадными, двухкаскадными и многокаскадными. По диапазону частот усилители принято делить на низкочастотные, высокочастотные, полосовые, постоянного тока (или напряжения). Связь усилителя с нагрузкой может быть выполнена непосредственно (гальваническая связь), через разделительный конденсатор (емкостная связь) и через трансформатор (трансформаторная связь).

Все характеристики усилителя можно разделить на три группы: входные, выходные и передаточные. К входным характеристикам относятся: допустимые значения входного напряжения или тока, входное сопротивление и входная емкость. Обычно эти характеристики определяются параметрами источника входного сигнала.

Часто работа усилителя необходима в определенном спектре частот. Одним из вариантов решения подобных задач заключается в использовании усилителей низкой частоты.

Курсовой проект посвящен исследованию и разработке функциональных блоков и устройств информационных систем. К таким блокам относится усилитель низкой частоты.

Выходное сопротивление генератора очень мало. С целью его наилучшего использования, необходимо создать такое сопротивление нагрузки генератора, которое, как минимум, на порядок превышает его внутреннее сопротивление:

R_н=10*R_ген=10*10 кОм=100 кОм=0.1 МОм.

1. функциональная схема усилителя

В данной работе для реализации была выбрана следующая схема:

Входным каскадом является на основе неинвертирующей схемы включения операционный усилитель (К140УД6), который обеспечивает высокое входное сопротивление (1 МОм). Это необходимо для согласования усилителя с источником входного сигнала, за счет снятия нагрузки с источника входного сигнала.

Каскад предварительного усиления является многозвеньевым и обеспечивает заданную форму логарифмической амплитудной характеристики.

Выходным каскадом является усилитель мощности, который обеспечивает согласование с нагрузкой и обеспечивает выходной сигнал по мощности.

В качестве усилителя мощности наиболее часто применяются бестрансформаторные усилители, которые характеризуются простотой схемного построения, отсутствием нестандартных деталей, высокими качественными показателями, малыми габаритами и весом. Наиболее удобно применение двухтактных усилителей мощности, выполненных на транзисторах с дополнительной симметрией и работающих в режимах классов В и АВ. Такие усилители хорошо сопрягаются с ОУ и могут с ними охватываться общей отрицательной обратной связью с целью уменьшения нелинейных искажений типа «ступенька». С этой целью рекомендуется использовать режим работы класса АВ.

2. Расчет и проектирование элементов усилителя

2.1 Расчет усилителя мощности

Рассчитаем усилитель по схеме:

Определяется амплитудное значение коллекторного напряжения одного плеча:

= =

Определим необходимое напряжение источника питания:

_, где U_{k min} примем равным 1,5 В.

По полученному значению E_k выберем из ряда стандартных напряжений ближайший в сторону увеличения стандартный номинал напряжения источника питания. В нашем случае это 6,3 В (E_k=6,3 В).

Определим амплитуду импульса коллекторного тока транзистора VT3(VT4):

.

Определяем среднее значение тока, потребляемое от источника питания оконечным каскадом:

=,

где I_ok – начальный ток коллектора транзисторов VT3 и VT4
(примем I_ok=25 мА).

Определяем мощность, потребляемую от источников питания оконечным каскадом при номинальной выходной мощности

=.

Определяем мощность рассеяния на коллекторе одного транзистора оконечного каскада

=.

По рассчитанным значениям P_k, 2E_k, (I_km+30%)
и требованиям к частотным свойствам (n³20 кГц) подбираем транзисторы VT3 и VT4. При этом они должны иметь одинаковые параметры и ВАХ.

Итак, должны выполняться следующие условия:

, т.е. ()

, т.е. ()

, т.е. ()

Этим условиям удовлетворяют параметры транзисторов КТ819А (n-p-n) и КТ818А (p-n-p). Они подходят по максимально допустимым параметрам и имеют одинаковые параметры и ВАХ.

По статическим характеристикам транзисторов VT3(VT4) определяем амплитудное значение тока базы I_бm и напряжение на базе U_бm(Рис 1):

I_бm= 180 мA,

U_бm=0,42 В.

Далее определяем входное сопротивление транзистора для переменного тока:

R_вхT3~ ==

Определяем амплитуду входного напряжения каждого плеча(VT3,VT4):

U_вхт3 = U_бm+U_km = 0,42+2,83 =3,25 В

Определяем величину сопротивлений резисторов R3 и R4. Она выбирается в 5÷10 раз больше значения входного сопротивления переменному току транзисторов VT3 и VT4 при максимальном входном сигнале:

R3=R4=(5÷10)R_вхT3~=.

По полученному значению R3 (R4) выберем из ряда стандартных сопротивлений резисторов ближайший в сторону увеличения стандартный номинал сопротивления резисторов R3 (R4). В данном случае R3=R4=150 Ом

Находим сопротивление эмиттерной нагрузки транзисторов VT1 и VT2:

R_нт1=.

Рассчитаем режим работы транзисторов VT1 и VT2. Найдем амплитуду импульса коллекторного тока транзистора VT1:

I_kmT1=.

Определяем среднее значение тока

I₀= ,

где I_ok - начальный ток коллектора транзисторов VT1 и VT2 примем равным 1,5 мА.

Определяем мощность при номинальной выходной мощности:

Р₀=.

Определяем мощность рассеяния на коллекторе одного транзистора:

Р_к==.

Аналогично вышеуказанному способу, выбираем пару транзисторов VT1 и VT2. В качестве транзисторов VT1 и VT2 выбираем соответственно транзисторы КТ503А(n-p-n) и КТ502А (p-n-p):

, т.е. ()

, т.е. ()

, т.е. ()

По статическим характеристикам транзисторов VT1(VT2) определяем амплитудное значение тока базы I_бм и напряжение на базе U_бм (Рис 2):

I_бm=5,3 мА, U_бm=186 мВ.

Далее определяем входное сопротивление транзистора для переменного тока:

R_вхT1~ ==.

Определяем амплитуду входного напряжения каждого плеча(VT1,VT2):

U_вхТ1=U_бmТ1+U_kmT1=0.186+3,25=3,436B, заметим, что U_kmT1=U_вхТ3=3,25 В.

Так как R_вхT1~ < 1 кОм, значит R_вхУМ < 1 кОм (R_вхУМ = R_вхT1~ | | R₁).

{Находим делитель R₁-VD1-VD2-R₂ по I_д = 7.5·I_0бT1=0,375мА, по
U_д ≈ U_0bT1 =0,34 В. Определяем диод по этим параметрам: выбираем КД514А.

Определяем R₁(R₂):

R₁=R₂==. Выбираем сопротивление из стандартного ряда (±5%): R1=R2=33 кОм.

Найдем входное сопротивление усилителя мощности:

R_вхУМ=.}

2.3 Расчет теплоотвода для транзисторов выходного каскада

Подводимая к усилителю электрическая мощность рассеивается в основном помимо нагрузки, на транзисторах оконечного каскада. Вследствие этого температура внутренних областей и корпуса прибора превышает температуру окружающей среды. Температура p – n – переходов является важнейшим фактором, от которого зависят не только величины основных параметров, но и общая работоспособность приборов.

С целью удержать температуру на допустимом уровне используют теплоотводящие радиаторы.

Определим требуемую площадь радиатора, изготовленного из алюминия с коэффициентом теплопроводности К=0,0013 Вт/см²*градус.

Примем температуру окружающей среды равной

=50 .

=125 - максимальная температура переходов для транзисторов VT3 и VT4 с радиатором (взята из справочника).

=4.73 Вт - суммарная мощность рассеивания на переходах транзисторов VT3 и VT4,

Тепловое сопротивление между полупроводником и корпусом:

T_K определяется по графику (Рис. ): T_K=380 К=107 ⁰C

Необходимая поверхность охлаждения приближенно равна:

2.4 Расчет коэффициента нелинейных искажений и параметров цепи обратной связи.

Для учета неполной идентичности плеч двухтактного каскада считают, что их коэффициенты передачи, а значит, и амплитуды всех гармоник выходных токов отличаются от средних в 1+v/2 раз, причем в разных плечах в разные стороны.(v=0,1….0,2) В результате амплитуды нечетных гармоник токов транзисторов в выходном колебании каскада оказываются удвоенными, а у четных гармоник ввиду их вычитания остается нескомпенсированная часть, равная v.

Для расчета нелинейных искажений используем метод пяти ординат заполняем таблицу и строим косинусоиду:

E_c=U_вх+i_вхR_с

E_c=U_бэ+i_бR_с

R_с=r_эт1==

E_c1=0,78+0,002·6,84=0,917 В

E_c2=0,86+0,046·6,84=1,175 В

E_c3=0,98+0,118·6,84=1,787 В

E_c4=1,2+0,2·6,84=2,568 В

Рис.3

I₁=800 мА

I₂=2150 мА

I₃=3200 мА

I₄=3800 мА

a=сos(3/8)=0.383

b=cos(/4)=0.707

c=cos(/8)=0.924

I_A=(I₁-2I₂+I₃+I₄/2)/2b=(800-2·2150+3200+1900)/2·0.707=1131,54 мА

I_B=I₄/2-I₁=3800/2 – 800=1100 мА

I_M=[a(I₄+I₃/b)-2I₂]/c=[0.383· (3800 + 3200/0.707) – 2·2150]/0.924= – 1202мА

I_N=I₄-I₃/b=3800 – 3200/0.707= – 726,17мА

Считаем гармоники:

I_m1=(I₄+I₃/b)/2=(3800 + 3200/0.707)/2=4163 мА

I_m2=v(I_B+ I_A)/4=0.1· (1100 + 1131,54)/4=55,79 мА

I_m3=( I_N+ I_M)/4=(-726,17 - 1202)/4= – 482 мА

I_m4=v(I₁-I₃+I₄/2)/4=0.1· (800 – 3200 + 1900)/4= – 125 мА

I_m5=( I_N- I_M)/4=(–726,17 + 1202)/4=118,96 мА

I_m6=v(I_B-I_A)/4=0.1· (1100 – 1131,54)/4=-0,79 мА

Считаем коэффициент нелинейных искажений:

K_Г==

K_Гос=

K^*=K_УМ·K_ОУ

K_УМ=

ОУ выбирается по следующим параметрам: E_k=6.3B, U_вхУМ=3,45B,
R _вхУМ=1.485 кОм, I_бmT1=0.09 мА. Выбираем 140УД1.

K_ОУ=1350

K=0.82·1350=1107

Находим коэффициент усиления:

=

Найдем сопротивления R1 и R2 ОУ:

=

Примем R1 = 5 кОм

тогда

Сопротивления R1 и R2 удовлетворяют условию: <<

Найдем коэффициент передачи ОУ и УМ:

, значит нужен расчет каскада предварительного усиления.

2.5 Выбор и расчет каскадов предварительного усиления

Найдем коэффициент передачи по напряжению всей схемы:

K₀==

Найдем коэффициент передачи по напряжению каскада предварительного училения:

K₂==

K₂=1+

Примем R3=0.5 кОм, тогда

Сопротивления R3 и R4 удовлетворяют условию: <<

Заключение

Итак, согласно заданию к курсовой работе, я спроектировал и рассчитал усилитель низкой частоты, удовлетворяющий всем заданным условиям.

Для охлаждения транзисторов в усилителе используется алюминиевый радиатор площадью 31,6 см².

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Зайцев А.А. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник. 2-е изд.. Под ред. А.В. Голомедова. М.: Радио и связь, КУБК-а, 1995.-384с.

2. Зайцев А.А. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник. 2-е изд.. Под ред. А.В. Голомедова. М.: Радио и связь, КУБК-а, 1995.-640с.