Проектирование усилителя низкой частоты

2



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



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 Pвх сигнала на входе усилителя, которую можно получить при равенстве входного сопротивления Rвх усилителя и внутреннего выходного сопротивления Rген источника сигнала:



 (1.1)



где eген  величина ЭДС источника сигнала;

Rген  внутреннее сопротивление источника сигнала.

Требуемый коэффициент усиления по мощности всего усилителя:



 (1.2)



где p= (1,11,3)  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











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 Uн  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= (1,011,1)  коэффициент запаса по напряжению;

rнас= (0,11)  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 tв  верхнее значение диапазона рабочих температур, С.







Поскольку , то выбранные транзисторы подходят.

Выбор режима работы по постоянному току и построение линий нагрузки. Ток покоя коллектора I0k3 транзисторов VT3 и VT4:



 (2.8)



где Ikоmax (50C) =1500мкА берётся в справочнике [11].







I0k3< Ikдоп  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 (I0k3; Eп); В (I0k3+Ikm3; EпUkm3); (2.9)

А (30мА; 15В); В (0.88А; 1.74В);



Соответствующие значения токов переносятся на входные характеристики (рис.2.3): Uбm3=0,54В  амплитудное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; U0б3=0,6В  напряжение покоя базы; Uб3max=1,14В  максимальное значение напряжения на базо-эмиттерном переходе; Iбm3=57мА  амплитудное значение тока базы; I0б3=1,78мА  ток покоя базы; Iб3max=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 Uод 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

VD3Рисунок 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 Rэ и Cэ:



 (2.32)

 (2.33)



Мощность, выделяемая на резисторе Rэ:



 (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 KT=0,00120,014 Втсм2град-1  коэффициент теплоотдачи.


3. Расчет предоконечного каскада



Сквозной коэффициент усиления:



 (3.1)



Рисунок 3.1  Схема предоконечного каскада



Поскольку Kскв очень большой, то на входе нужны: предоконечный и входной  каскады с общим эммитером.

Выбирается транзистор VT КТ3102Е со следующими параметрами:













+30В

R1

R2

Rk

Rэ

R4

С1

Сэ

С2

VT

В

А





Принимается  

Тогда









Допускается, что напряжение в точке В UB=24В. Тогда напряжение в точке А будет 



.



Сопротивление резисторов R1 и R2 делителя:



 (3.2)



Мощность, выделяемая на резисторах R1 и R2:



 (3.3)



Сопротивление R4:



 (3.4)



Мощность, выделяемая на резисторе R4:



 (3.5)


Сопротивление Rэ:



 (3.6)



где URэ=UB/10=3В.

Мощность, выделяемая на резисторе Rэ:



 (3.7)

 (3.8)



Напряжение база-эмиттер:



 (3.9)



Здесь











Из уравнения (3.6) определяется rб:



 (3.10)



Входное сопротивление каскада:

 (3.11)



Сопротивление Rk:



 (3.12)



Мощность, выделяемая на резисторе Rк:



 (3.13)



Выходное сопротивление каскада (учитывая, что rk>>Rk):



 (3.14)



Определение амплитудных токов на базе и коллекторе:



 (3.15)

 (3.16)



Тогда



 (3.17)

 (3.18)



Коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада:

 (3.19)



4. Расчет входного каскада



Схема входного каскада представлена на рис.5.1.













+UХп=24В

R1

R2

R3

Rэ

С1

Сэ

VT

А

Рисунок 5.1  Схема входного каскада



Выбирается транзистор VT КТ3102Г со следующими параметрами:







Принимается  Тогда








Напряжение в точке А будет 



.



Сопротивление резисторов R1 и R2 делителя:



 (5.1)



Мощность, выделяемая на резисторах R1 и R2:



 (5.2)



Сопротивление Rэ:



 (5.3)



Мощность, выделяемая на резисторе Rэ:



 (5.4)

 (5.5)



	Напряжение база-эмиттер:


 (5.6)



Здесь











Из уравнения (3.6) определяется rб:



 (5.7)



Входное сопротивление каскада:



 (5.8)



Сопротивление Rk:



 (5.9)



Мощность, выделяемая на резисторе Rк:



 (5.10)


Выходное сопротивление каскада (учитывая, что rk>>Rk):



 (5.11)



Определение амплитудных токов на базе и коллекторе:



 (5.12)

 (5.13)



Тогда



 (5.14)

 (5.15)



Коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада:



 (5.16)



5. Уточнение параметров схемы и расчет обратной связи



Сквозной коэффициент усиления по напряжению получился равным



 (6.1)



где   коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада;

  коэффициент усиления по напряжению промежуточного каскада;

  коэффициент усиления по напряжению входного каскада.

Сравнивая полученный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с необходимым (3.1), можно сделать вывод, что в схему надо добавить ещё один промежуточный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежуточному каскаду в пункте 4 (иметь те же параметры). Коэффициент усиления по напряжению второго промежуточного каскада будет равен 10,76.

Теперь сквозной коэффициент усиления по напряжению будет



 (6.2)



Для стабилизации режима покоя в каскад вводят обратную связь (ОС). Обратной связью называется передача информации (или энергии) с выхода устройства или системы на его вход.

Если на входе складываются сигналы разных знаков, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при этом уменьшается. Однако при применении ООС увеличивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению стабилизирует напряжение, ООС по току стабилизирует ток и т.д.

В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя принимает следующий вид:



 (6.3)


где K  коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи) участка схемы, охватывающего обратную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи):



 (6.4)



Коэффициент j:



 (6.5)



где R’ выбирается 10Ом, а RОС  порядка 10кОм.

Таким образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, охватывающего ООС, уменьшается в (1+jK) раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя необходимо уменьшить в 



 раз.



Можно записать:







Откуда j=6/K.

Тогда





 (6.6)



В результате определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен:



 (6.7)



Сквозной коэффициент усиления по напряжению получился равным



 (6.1)



где   коэффициент усиления по напряжению предоконечного каскада;

  коэффициент усиления по напряжению промежуточного каскада;

  коэффициент усиления по напряжению входного каскада.

Сравнивая полученный сквозной коэффициент усиления по напряжению (6.1) с необходимым (3.1), можно сделать вывод, что в схему надо добавить ещё один промежуточный каскад. Этот каскад будет аналогичным рассчитанному ранее промежуточному каскаду в пункте 4 (иметь те же параметры). Коэффициент усиления по напряжению второго промежуточного каскада будет равен 10,76.

Теперь сквозной коэффициент усиления по напряжению будет



 (6.2)


Для стабилизации режима покоя в каскад вводят обратную связь (ОС). Обратной связью называется передача информации (или энергии) с выхода устройства или системы на его вход.

Если на входе складываются сигналы разных знаков, то ОС является отрицательной (ООС). В этом случае на входе схемы действует разностный сигнал, который меньше входного. Выходной сигнал при этом уменьшается. Однако при применении ООС увеличивает стабильность выходной величины: ООС по напряжению стабилизирует напряжение, ООС по току стабилизирует ток и т.д.

В этом случае коэффициент усиления по напряжению усилителя принимает следующий вид:



 (6.3)



где K  коэффициент усиления по напряжению (без обратной связи) участка схемы, охватывающего обратную связь. В данном случае он равен коэффициенту усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи):



 (6.4)



Коэффициент j:



 (6.5)



где R’ выбирается 10Ом, а RОС  порядка 10кОм.

Таким образом коэффициент усиления по напряжению усилителя, охватывающего ООС, уменьшается в (1+jK) раз. Коэффициент усиления по напряжению усилителя необходимо уменьшить в 



 раз.



Можно записать:







Откуда j=6/K.

Тогда



  (6.6)



В результате определяется требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя будет равен:



 (6.7)



6. Расчет элементов связи



Распределение фазовых сдвигов:



  


Для входного каскада:



 (7.1)



Для предоконечного и промежуточных каскадов:



 (7.2)

 (7.3)



Для выходного каскада:



 (7.4)

 (7.5)



R1, R2, R5, R6, R9, R10, R13, R14

ВС10,1256,2кОм10%

R3, R7, R11, R15

ВС1168Ом10%

R4, R8, R12, R16

ВС10,530Ом10%

R17

ВС10,1253,9МОм10%

R18, R19,

ВС10,125240кОм10%

R20

ВС10,12513кОм10%

R21, R22

ВС10,1251кОм10%

Rн

ВС12011Ом10%

Rф

ВС1162Ом10%

Rос

ВС10,12522кОм10%

R’

ВС12010Ом10%

С1

К50650В2мкФ (20+80)%

С2, С4, С6, С8

К50610В10мкФ (20+80)%

С3, С5, С7

К50616В5мкФ (20+80)%

С9

К5093В0,5мкФ (10+100)%

С10

К75421600В0,0033мкФ10%

С11

К50610В50мкФ (20+80)%

Сф

К502250В1500мкФ (20+50)%

VT1VT5

KT3102A

VT6

КТ814Б

VT7

KT815Б

VT8,VT9

KT817Б

VD1VD6

Д2Ж




Литература



1. Аронов В.А., Баюков А.В. и др. Полуроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник.  М.: Энергоиздат, 1982.

2. Гальперин Н.В. Практическая схемотехника в промышленной электронике.  М.: Радио и связь, 1987.

3. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем.  М.: Наука, 1983.

4. Гитцевич А.Б., Зайцев А.А. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник.  М.: КубК-а, 1996.

5. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника.  М.: Энергоатомиздат, 1988.

6. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника.  М: Радио и связь, 1985.

7. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.  М.: Энергоатомиздат, 1988.

8. Доршков А.В., Полонский А.Д. Методические указания к курсовому проекту “Проектирование усилителя низкой частоты".  Сумы: СФТИ, 1993.

9. Дьяконов М.Н., Карабанов В.И. и др. Справочник по электрическим конденсаторам.  М.: Радио и связь, 1983.

10. Забродин Ю.С. Промышленная электроника.  М.: Энергоатом-издат, 1988., 1982.

11. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам.  М.: Радио и связь, 1984.

12. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники.  М.: Энергоатомиздат, 1985.